焊后消应力对TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能的影响
Effect of Heat treatment on Microstructure and Properties of EBW TC4 Titanium Alloy Joints
- 2023年53卷第10期 页码:22-27
DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.10.04
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研究去应力退火和完全退火两种热处理状态下30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头的组织和性能。结果表明:两种热处理状态下,接头的组织构成类似,BW区以等轴α相+板条状α相与晶间β相组成的双相组织,HAZ区由初生α相、针状马氏体α′相以及板条状α相和β相的双相组织组成,WM区主要由大量的针状马氏体α′相和少量分布在原始β晶界的α相组成。与去应力退火状态相比,在完全退火状态下,接头整体组织更加均匀,α相球化程度更高,抗拉能力更强,抗冲击性能更弱。
The microstructures and properties of EBW joint of 30 mm TC4 titanium alloy under two heat treatment conditions of stress relief annealing and full annealing were studied. The results show that the microstructure of the joint is similar under two heat treatment conditions. The BM is mainly composed of equiaxed α phase plus two-phase structure consisting of lath α phase and intercrystalline β phase, and the HAZ is composed of primary α phase, acicular martensite α ′ phase and two-phase structure consisting of lath α phase and intercrystalline β phase. The WM is mainly composed of a large number of acicular martensite α ′ phases and a small number of α phases distributed at the original β grain boundary. In the fully annealed state, the overall organization of the joint is more uniform and higher spheroidization of α phase,stronger tensile strength and weaker impact resistance, compared with the stress relieved annealed state.
TC4钛合金是一种常见的α+β双相钛合金,具有比强度高、韧性强、耐腐蚀性优异及低密度等优势,在航空航天尤其是飞机承力结构上得到了广泛的应用[
TC4真空电子束焊后采用热处理方法进行组织调控,研究人员针对热处理对接头性能的影响开展了研究,主要集中在强化热处理方法。韩鹏[
目前对于TC4钛合金电子束焊接接头消除应力退火的研究相对较少。本文采用真空电子束对30 mm厚TC4钛合金进行对接焊,焊后采用两种消除应力热处理,研究两种热处理对接头组织和性能的影响,为实际构件生产提供理论依据。
试验材料为TC4板材,规格300 mm×100 mm×30 mm,其化学成分见
Al | V | Fe | C | N | H | O | Si | Ti |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5.90 | 4.20 | <0.25 | 0.028 | 0.004 2 | 0.001 1 | 0.039 5 | <0.026 | 余量 |
加速电压 /kV | 聚焦电流 /mA | 焊接速度 /(mm·s-1) | 电子束流 /mA | 扫描频率 /Hz | 扫描形状 | 真空度 /Pa |
---|---|---|---|---|---|---|
60 | 2 108 | 6 | 300 | 150 | 圆形 | 5×10-2 |
序号 | 名称 | 加热温度/℃ | 保温时间/h | 冷却方式 |
---|---|---|---|---|
1 | 完全退火 | 750 | 2 | 真空炉中随炉冷却 |
2 | 去应力退火 | 600 | 4 | 真空炉中随炉冷却 |
焊接接头宏观横截面及取样方式如
图1 接头的宏观横截面
Fig.1 Macro cross section of welded metal
图2 接头的微观形貌
Fig.2 Microstructure of EBW welded joint
(a)母材区 (b)热影响区 (c)焊缝区
图3 去应力退火下电子束焊接接头微观组织
Fig.3 Microstructure of EBW welded joint under stress relief annealing
图4 完全退火下电子束焊接接头微观组织
Fig.4 Microstructure of EBW welded joint under complete annealing
焊接接头BM区主要为等轴α相+板条状α相与晶间β相组成的双相组织,HAZ区由初生α相、针状马氏体α′相以及板条状α相+β相的双相组织组成,WM区主要由大量的针状马氏体α′相和少量分布在原始β晶界的α相组成。焊接过程中熔合区温度最高,超过了β相相变温度,发生α→β转变,焊接结束后冷却速度快,形成马氏体α′相,距离熔合线越远,焊接时温度越低,这种相变越不彻底。由母材逐渐靠近熔合线,等轴α相逐渐发生相变,晶界逐渐模糊,直至形成粗大的β相,冷却时在β晶界内形成针状马氏体α′相,β晶界处α相析出。在HAZ区,焊后冷却速度相对较慢,β相内形成片状次生α相。
由
对比两种热处理状态。在BM区,去应力退火状态下组织中的双相组织(板条状α相+晶间β相)的数量较完全退火状态下组织中的多,完全退火状态下等轴α相晶粒更大,体积占比更大。在HAZ,去应力退火状态下的初生α相晶界模糊,完全退火状态下的组织更接近于BM区。在WM区,去应力退火状态下β相晶界比较明显,整体更接近于魏氏体组织,完全退火状态下,针状马氏体α′相排列更加规律,数量更多,长宽比更小。
两种热处理温度都在等轴α相向β相的转变点之下,BM区均是典型的双相组织。完全退火温度更高,更有利于α相的生长,α相球化程度更高,BM区等轴α相晶粒更加粗大,HAZ区更接近BM区组织,WM区马氏体α′相数量增多,长宽比更小。
TC4电子束焊接接头分2层进行常温拉伸试验,每层3个试样。拉伸试验按GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》进行,从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取,拉伸试验尺寸如
图5 拉伸试样尺寸示意
Fig.5 Dimension diagram of tensile specimen
两种热处理状态下的电子束焊接接头室温拉伸结果如
图6 去应力退火态下接头的拉伸试验结果
Fig.6 Tensile test results of welded joint in stress relieved annealed state
图7 完全退火态下接头的拉伸试验结果
Fig.7 Tensile test results of welded joint in fully annealed state
对比两种热处理状态,完全退火状态下接头的平均拉伸强度明显高于去应力退火状态下接头的平均拉伸强度。结合显微组织分析,可能原因是去应力退火状态下接头中BM区的双相组织数量较多,各相排列比较弥散,抗拉能力相对较弱。
TC4电子束焊接接头分2层进行室温冲击试验,每层2个区域(HAZ和WM),每个区域3个试样。冲击试验按GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》进行,从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取,冲击试样尺寸示意如
图8 冲击试样尺寸示意
Fig.8 Dimension diagram of impact specimen
冲击试验结果如
图9 冲击试验结果
Fig.9 Impact test results
对比两种热处理状态,完全退火状态下的接头冲击功相比去应力退火状态更小,韧性更差。WM区的冲击功差别更加明显,HAZ区差距较小。结合显微组织分析,在WM区,与去应力退火态相比,完全退火接头中的针状马氏体α′相更多,组织更加均匀,马氏体α′相为脆性组织,随着其数量增多,长度变短,排列规则化,抗冲击性能下降。在HAZ区,两种热处理状态下接头的组织组织一致,马氏体α′相都较少,完全退火状态下组织更加均匀,等轴α相晶界更明显,抗冲击性能较弱,但差别不明显。
针对30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头,研究了在不同焊后退火热处理制度下接头的组织和力学性能。
(1)两种热处理状态下,接头BM区均是典型的等轴α相和板条状(α+β)相的双相组织。完全退火温度更高(750 ℃),α相球化程度更高,BM区等轴α相晶粒更加粗大,HAZ区更接近BM区组织,WM区马氏体α′相数量增多,长宽比更小。
(2) 750 ℃×2 h完全退火状态下接头的平均拉伸强度明显高于去应力退火状态下(600 ℃×4 h)接头的平均拉伸强度。可能原因是去应力退火状态下接头中BM区板条状(α+β)相数量较多,排列比较弥散,抗拉能力相对较弱。
(3)完全退火状态下接头的冲击功相比去应力退火状态更小,韧性更差。完全退火状态下接头中针状马氏体α′相更多,组织更加均匀,抗冲击性能更差。
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