晶粒尺寸对钛合金TIG焊接接头组织及力学性能的影响

第３１卷　第５期　２０１１年１Ｏ月　航空材料学报　Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．５　Ｏｃｔｂｅｒ　２０１１　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　晶粒尺寸对钛合金ＴＩＧ焊接接头组织　及力学性能的影响　周水亮，　陶　军，　赵海涛，　郭德伦　（北京航空制造工程研究所，北京１０００２４）　摘要：进行了２ｔｘｍ及８　ｍ，１９ｔｘｍ三种晶粒尺寸的细晶粒ＴＣ４钛合金常规ＴＩＧ焊试验，分析了母材晶粒尺寸对钛合　金焊接接头组织转变规律及力学性能的影响。结果表明，细晶粒ＴＣ４钛合金焊缝中心和热影响区组织相似，为　马氏体组织。相同焊接规范下，随着晶粒尺寸的减小，焊缝中心和热影响区组织由编织（网篮）状　组织向片状组　织过渡；随着晶粒尺寸的减小，热影响区晶粒长大越来越明显，热影响区细晶区（ＦＨＡＺ）明显变窄，热影响区粗晶区　（ＣＨＡＺ）明显变宽，焊缝一热影响区一母材的晶粒梯度增大，焊接接头三区域晶粒过渡越来越差；随着晶粒尺寸的　减小，焊接接头拉伸强度和伸长率均有不同程度的提高。常温拉伸断口呈准解理断裂特征，随着母材晶粒度的增　大，焊接接头解理断裂特征越明显。　关键词：ＴＩＧ焊接；晶粒尺寸；微观组织；力学性能　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５０５３．２０１　１．５．００７　中图分类号：ＴＧ１４６．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—５０５３（２０１１）０５—００３４　０６　钛合金具有密度小、比刚度、比强度高，耐蚀　性、耐热性好等一系列优点，在航空航天、军事、石　针对细晶粒ＴＣ４合金ＴＩＧ焊接过程，研究不同晶粒　尺寸钛合金焊接接头组织转变规律，分析晶粒尺寸　对ＴＩＧ焊接接头力学性能的影响，为细晶粒钛合金　油化工、海洋工程、汽车和医疗等领域得到了越来　越广泛的应用　。而在这其中，　＋Ｂ双相ＴＣ４　的推广应用奠定基础。　（国外牌号Ｔｉ．６Ａ１－４Ｖ）钛合金是使用最广泛、最成　熟的典型钛合金，占所有钛合金用量的５０％以　上　。很多ＴＣ４合金结构都采用了焊接结构，因　１　试验方法　本研究采用的材料为２　ｍ，８Ｉｘｍ，１９］ｘｍ三种不　同晶粒尺寸的细晶ＴＣ４钛合金。细晶粒钛合金为　采用反复轧制的大塑性变形方法制得的ＴＣ４钛合　金板材；板厚均为２．５ｒａｍ，规格为１５０ｒａｍ×１００ｒａｍ，　此控制ＴＣ４合金焊接结构质量成为这种材料应用　的关键问题。　在力学性能方面，根据Ｈａｌｌ—Ｐｅｔｃｈ关系，晶粒的　细化可以使材料具有高的强度；另外，晶粒的细化可　以使材料获得高应变速率超塑性或低温超塑性，提　沿边长１００ｍｍ的方向为轧制方向。其材料化学成　分如表ｌ　表１　ＴＣ４钛合金板材化学成分（质量分数／％）　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＣ４　高合金的加工性能　’　。与较粗晶粒ＴＣ４钛合金相　比，细晶ＴＣ４钛合金的抗拉强度，屈服强度，疲劳性　能等都有了较大的提高。因此，细晶钛合金的焊接　问题受到了越来越多人的关注，但是目前国内外对　ｐｌａｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ（ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ／％）　ＡＩ　５　８２　Ｖ　Ｎ　Ｃ　Ｈ　Ｏ　Ｆｅ　Ｔｉ　于细晶钛合金熔化焊过程的研究却很少，尤其是焊　接接头组织转变规律及力学性能的研究几乎空白，　３　９９　０　０２３　１　８３　Ｏ．０００７　Ｏ．０６３　＜Ｏ．Ｏ５　Ｂａ】　焊接之前进行必要的酸洗，然后采用钢丝刷去　收稿日期：２０１０．０７—０９；修订日期：２０１１－０６—１３　作者简介：周水亮（１９８１一），男，硕士，工程师，主要从事钛合金、　除待焊区氧化膜，并用丙酮擦拭干净。试验在纵缝　自动氩弧焊机上进行，焊接电源为美国Ｍｉｌｌｅｒ３５１交　直流焊机，焊接夹具为自行研制的双支点琴键式焊　高温合金等材料的新工艺研究，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｐｉｐｐｏｚｌ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ。　第５期　自然。　晶粒尺寸对钛合金ＴＩＧ焊接接头组织及力学性能的影响　化工工业出版社，２００５，４：２８７—３０２．　３９　（３）相同焊接规范下，随着晶粒尺寸的减小，　ＴＣ４钛合金母材及接头拉伸强度和延生率均有不同　［４］ＷＥＥＲＴＭＡＮ　Ｊ　Ｒ．Ｈａｌｌ—Ｐｅｔｃｈ　ｓｔｒｅｎｔｈｅｎｉｎｇ　ｉｎ　ｎａｎｏｃｒｙ　ｓｔａｌｌ—　ｉｎｅ　ｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ　Ｓｃｉ　Ｅｎｇ（Ａ），１９９３，１６６：１６１—　１６７．　程度的提高；拉伸断口为准解理断裂机制，且随着晶　粒尺寸的减小，断口的韧性断裂特征越来越明显。　［５］ＭＡＢＵＣＨＩ　Ｍ，ＨＩＧＡＳＨＩ　Ｋ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ・－ｓｔｒａｉｎ－・ｒａｔｅ　ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　［Ｊ］．ＪＯＭ，１９９８，６：３４—３９．　参考文献：　［１］ＶＡＳＳＥＬ　Ａ，ＧＵＥＤＯＵ　Ｊ　Ｙ．Ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｐｒｅｓ—　ｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｕｔｕｒｅ［Ｃ］／／Ｓｔ　Ｐｒｅｔｅｒｂｕｒｇ，Ｒｕｓｓｉａ：９ｔｈ　ｗｏｒｌｄ　Ｃｏｎｆｌｏｎ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ，１９９９，１２３—１２８．　［６］周水亮，陶军，郭德伦．细晶粒钛合金ＧＴＡＷ焊缝成形　性能分析［Ｊ］．焊接学报，２００９，３０（７）：２５—２８．　［７］吴巍，高洪明，吴林．细晶粒钛合金粗晶区组织及接头　力学性能分析［Ｊ］．焊接学报，２００８，２９（１）：６１—６４．　［８］刘昌奎，刘新灵．ＴＨ１５钛合金焊缝及热影响区疲劳裂纹　扩展行为［Ｊ］．失效分析与预防．２００７，５（１）：１Ｏ一１３．　［２］ＬＩＮＥＢＥＲＧＥＲ　Ｌ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．　１９９８，５：４５．　［３］张喜燕，赵永庆，白晨光．钛合金及应用［Ｍ］．北京：　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｇｒａｉｎ　Ｓｉｚｅ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｉ　Ａｌｌｏｙ　ｉｎ　ＴＩＧ　ＺＨＯＵ　Ｓｈｕｉ—ｌｉａｎｇ，ＴＡＯ　Ｊｕｎ，　ＺＨＡＯ　Ｈａｉ—ｔａｏ，　ＧＵＯ　Ｄｅ—ｌｕｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｅ　ｇｒａｉｎ　ＴＣ４　ａｌｌｏｙ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ（２　ｍ，８　Ｉｘｍ，１　９　ｍ）ｗｅｒｅ　ｗｅｌｄｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＴＩＧ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ｗｅｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｗｅｌｄ　ｃｅｎｔｅｒ（ＷＣ）ａｎｄ　ｈｅａｔ—ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｚｏｎｅ（ＨＡＺ）ａｒｅ　ｄ　ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｂａｓｅ　ｍｅｔａｌ（ＢＭ），ｔｈｅ　ｍｉ—　ｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＷＣ　ａｎｄ　ＨＡＺ　ｃｈａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　ｌａｍｅｌｌａｒ　ｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｔｏ　ｂａｓｋｅｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ＢＭ，ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｇｒｏｗｔｈ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　ＨＡＺ　ｂｅｃｏｍｅ　ｍｏｒｅ　ａｐｐａｒｅｎｔ，ｔｈｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ＦＨＡＺ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ＣＨＡＺ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｇｒａｉｎ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｏｆ　ＷＣ—ＨＡＺ—ＢＭ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｈｒｅｅ　ｚｏｎｅｓ　ｇｏｔ　ｗｏｒｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｔｅｎｓｉｌｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　ｑｕａｉ—ｃｌｅａｖａｇｅ　ｃｒａｃｋ．Ｃｌｅａｖａｇｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｆｒａｃ—　ｔｏｇｒａｐｈｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄ　ｊｏｉｎｔ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｍｅｔａ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ；ＴＩＧ　ｗｅｌｄｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ