焊后熱處理對TA15鈦合金中厚板焊接接頭彎曲性能的影響

鈦及鈦合金因具有密度小、耐熱性好、比強度高等優(yōu)點，在航空航天、石油化工、化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[。TA15鈦合金是一種高AI當(dāng)量的近α型鈦合金，名義成分為Ti-6.5A1-2Zr-1Mo-1V[2-3]。該合金具有α型和α+β型鈦合金的許多優(yōu)點，具有中等的室溫強度、高溫強度，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能[4]。在航空領(lǐng)域，TA15鈦合金板材因具有優(yōu)良的機械加工性能和焊接性能，尤其適用于大型復(fù)雜壁板類零件的制造，而焊接接頭的質(zhì)量評價對于零件最終成形有著極為重要的意義。彎曲性能是評價TA15鈦合金板材焊接接頭質(zhì)量的重要指標(biāo)，在彎曲變形過程中彎折外側(cè)受到拉應(yīng)力，彎折內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力，板材在拉、壓應(yīng)力的作用下發(fā)生彈性和塑性變形，當(dāng)塑性變形階段形變量超出板材自身塑性所能承受的最大延伸量時，板材將不可避免地發(fā)生開裂。

對于鈦合金半成品及其制件，熱處理工藝是改善微觀組織以提高其力學(xué)性能最常用的方法[56]，本文研究了在相同的冷卻方式下，不同加熱溫度和保溫時間的退火處理對TA15鈦合金板材焊接接頭彎曲性能的影響，通過組織形貌的對比分析以及焊接試片極限彎曲性能的測試確定了最優(yōu)熱處理制度。

1、試驗材料及方法

焊接試片的制備使用的是退火狀態(tài)下TA15鈦合金板材,厚度為6mm，其室溫力學(xué)性能要求如表1所示。采用鎢極氣體保護焊工藝，以無坡口對焊形式制備焊接試片，焊絲選用TA0-1純鈦焊絲，接頭形式如圖1所示，焊接后力學(xué)性能要求如表2所示。

焊接后采用不同的熱處理制度對焊接試片進行退火處理，試片分組及熱處理參數(shù)的選擇見表3。通過焊接接頭組織分析以及極限彎曲性能測試，確定最優(yōu)熱處理制度。

2、試驗結(jié)果及分析

2.1 焊后熱處理顯微組織

對焊接后以及退火后不同試樣的焊縫處進行顯微組織觀察，未經(jīng)退火處理焊縫處與基體組織對比如圖2所示。板材基體為典型的等軸組織，β相均勻分布于α基體內(nèi)，晶粒沿軋制方向呈現(xiàn)出一定的方向性排列。焊縫區(qū)域是在焊接過程中完全融化的部分，針狀α相沿不同方向分布，呈現(xiàn)出網(wǎng)籃狀組織的典型形貌[7-8],β相不均勻分布于晶界處,存在一定的偏析。

伴隨著焊后冷卻過程，針狀α相長大到較大尺寸，這種尺寸及形貌的變化是導(dǎo)致焊縫處力學(xué)性能較差的直接原因。

對焊接后以及采用不同制度退火后板材的焊縫處顯微組織進行觀察。如圖3（a）所示，未經(jīng)過退火處理的焊縫處柱狀晶較為粗大，晶界平直，α相呈網(wǎng)籃狀分布，β相偏聚于枝晶間。如圖3（b,c)所示,經(jīng)750℃×90min、750℃×120min退火處理后，焊縫處依然呈現(xiàn)出明顯的網(wǎng)籃狀組織。隨著保溫時間延長，針狀α相長大到較大尺寸。在退火過程中，焊接應(yīng)力被進一步消除，但是焊縫組織在退火過程中并未發(fā)生實質(zhì)性的細(xì)化，并且較大尺寸針狀α相也不利于焊接接頭塑性的改善。

如圖3（d）所示，隨著退火溫度由750℃提升至850℃，焊縫處單一柱狀晶的均勻化轉(zhuǎn)變逐漸清晰，焊縫組織在這一轉(zhuǎn)變過程中被部分破碎、細(xì)化，β相偏聚的情況明顯改善。由于加熱溫度始終控制在相變點以下，焊縫組織仍呈現(xiàn)出α相為針狀的兩相組織，但整體形貌得到了一定的改善。

2.2 極限彎曲試驗結(jié)果分析

通過開展極限彎曲試驗，不斷增大彎曲角直至開裂，考察不同退火工藝對板材彎曲性能的改善程度。根據(jù)焊接工藝規(guī)范要求，設(shè)定彎芯直徑為3T（T為板材試樣厚度）,彎曲角度的選擇為在滿足規(guī)范要求30°的基礎(chǔ)上,對彎曲30°時未開裂的試樣繼續(xù)增大彎曲角度直至開裂，彎曲后試樣形貌如圖4所示，彎曲結(jié)果統(tǒng)計如圖5所示。

焊接狀態(tài)下試樣彎曲性能較差，彎曲至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的21°即發(fā)生開裂,開裂發(fā)生在焊縫區(qū)域，主要原因是TA15鈦合金板材試樣在焊接過程中由于熱輸入較大，在焊縫處形成典型的粗大柱狀晶組織，整體硬度增加、塑性下降，導(dǎo)致焊接接頭處塑性較差，彎曲性能較差。

經(jīng)750℃×90min和750℃×120min退火處理后,彎曲性能改善程度不明顯，極限彎曲角為18.7°~22.9°，主要原因是退火處理后組織未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，試樣整體塑性未得到改善，但焊接應(yīng)力的消除在一定程度上對綜合力學(xué)性能的提升做出了貢獻。經(jīng)850℃×120min退火處理后，試樣極限彎曲角提高至23.5°~25.5°,彎曲性能得到一定提高,試樣具備了一定的彎曲富余量。

不同退火狀態(tài)下TA15鈦合金板材焊接試樣的極限彎曲性能測試結(jié)果進一步印證了焊接接頭處的組織演變規(guī)律，表明退火處理后組織的改善是焊接接頭彎曲性能提升的直接原因。

3、結(jié)論

1）TA15鈦合金板材焊接接頭處為典型的柱狀晶組織，針狀α相沿不同方向分布，焊接接頭塑性較差，彎曲性能較差。

2）采用一般的焊后穩(wěn)定化退火處理（750℃×90min和750℃×120min）可以起到消除焊接應(yīng)力的作用，但焊接接頭處組織性能沒有明顯改善，未能使彎曲性能得到有效提升。

3）采用850℃×120min爐冷的退火工藝對焊后試樣進行熱處理，焊接接頭組織的單一柱狀晶得到了一定的細(xì)化,β相分布更為均勻,試樣平均彎曲性能突破24°。

參考文獻：

[1]劉奇先，劉 楊，高尚凱．鈦合金的研究進展與應(yīng)用[J]．航天制造技術(shù)，2011(4)：4548.

Liu Qixian, Liu Yang, Gao Kai. Research progress and application of titanium alloys[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2011(4) :45-48.

[2］黃旭，朱知壽，王紅紅．先進航空鈦合金材料與應(yīng)用［M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012：26-27.

[3］《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［4］張小紅，林鑫，陳靜，等．熱處理對激光立體成形TA15合金組織及力學(xué)性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2011，40(1：142-147.

Zhang Xiaohong, Lin Xin, Chen Jing, et al. Effects of heat treatment on the microstructures and mechanical properties of TA15 titanium alloys by laser solid forming [ J]. Rare Metal Materials and Engineering,2011, 40(1) : 142-147.

[5］趙彥蕾，李伯龍，朱知壽，等．熱處理溫度對TC21鈦合金微觀組織的影響[J].材料熱處理學(xué)報，2011，32（1）：14-18.

Zhao Yanlei, Li Bolong, Zhu Zhishou, et al. Influence of heat treatment on microstructure of TC21 titanium alloy[ J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2011, 32(1): 14-18.

[6］盧凱凱，周立鵬，李敏娜．強韌化熱處理對TA15鈦合金組織和性能的影響［J]，材料熱處理學(xué)報，2020，41（1）：4449.

Lu Kaikai, Zhou Lipeng, Li Minna. Effect of strengthening and toughening heat treatment on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy [ J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2020, 41(1): 4449.

[7］陳國慶，張秉剛，王廷，等TA15鈦合金潛弧焊接頭組織與性能分析[J]．焊接學(xué)報，2010，31（7)：5-8.

Chen Guoqing, Zhang Binggang, Wang Ting, et al. Microstructure and mechanical properties of submerged arc welded TA15 titanium alloy joints[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2010, 31(7) : 5-8.

[8］朱景川，何東，楊夏煒，等．TA15鈦合金雙重?zé)崽幚砉に嚰捌湮⒂^組織演化的EBSD研究[J].稀有金屬材料與工程，2013，42(2) : 382-386.

Zhu Jingchuan, He Dong, Yang Xiawei, et al. EBSD study on dual heat treatment and microstructure evolution of TA15 titanium alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2013, 42(2): 382-386.