TC4/TA16耐熱耐腐蝕異種鈦合金

鈦及鈦合金因其*的耐熱、耐腐蝕及比強(qiáng)度高等特點(diǎn),在航空﹑航天,核能、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛"。其中,TC4鈦合金屬于Ti-Al-V系典型的α+ β 型雙相熱強(qiáng)鈦合金,目前是航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的材料之一2。我國(guó)自行研制的TA16為α鈦合金,具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗變形能力,主要用于聯(lián)接管道I。TC4/TA16焊接件可用于飛機(jī)管道系統(tǒng),比單一的TC4有著更好的加工成形性能,同時(shí)比單一的TA16管道有更高的強(qiáng)度,這種異種鈦合金焊接件綜合了各個(gè)母材的優(yōu)點(diǎn),具有重要的戰(zhàn)略意義。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)TC4氬弧焊焊接接頭的研究已趨于成熟“5),但對(duì)TA16的焊接接頭研究仍較少,而對(duì)TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的研究也極少。這在很大程度上制約了這種異種鈦合金管的生產(chǎn)和使用進(jìn)程。本文針對(duì)TC4與TA16鈦合金氬弧焊接頭微觀組織、力學(xué)性能、斷裂的特點(diǎn)進(jìn)行了研究,旨在分析TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的斷裂機(jī)理,為材料的壽命預(yù)測(cè)和完整性研究提供依據(jù)。1試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)焊接接頭的母材選用TC4、TA16 的軋制板材,經(jīng)過氬弧焊接成板材,后線切割成100mm x 20mm x 3mm,同時(shí)使焊縫中心位于焊接件的中心位置(見圖1)。材料焊后的熱處理制度為在600℃真空爐退火2h,隨爐冷至室溫,去除內(nèi)應(yīng)力。母材TC4、TA16的化學(xué)成分如表12所示,力學(xué)性能如表3所示。采用OLYMBUS BX51M光學(xué)顯微鏡對(duì)母材﹑焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行微觀組織形態(tài)觀察。金相樣品的腐蝕劑為kroll試劑,試劑體積比為HF:HNO,: H,O=1 : 2 : 5。

硬度測(cè)試在FM800小負(fù)荷維氏硬度計(jì)上進(jìn)行,沿著焊縫中心每隔0.5mm打一次點(diǎn),再分別在母材、焊縫和熱影響區(qū)部位每隔0.5mm打一次點(diǎn),最后分別得到橫向和縱向硬度分布曲線。測(cè)試時(shí)使用的載荷為0.5kg,

保壓時(shí)間15s。制備拉伸試樣,焊縫位于中心,標(biāo)距長(zhǎng)度30mm,采用MTS材料拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),位移速率為0.3mm/min。

加工3點(diǎn)彎試樣,尺寸如圖2所示。線切割位置分別位于TC4母材、TC4側(cè)熱影響區(qū)、焊縫中心、TA16側(cè)熱影響區(qū)、TA16母材。采用MTS 880材料試驗(yàn)機(jī),測(cè)試焊接接頭不同位置處的斷裂韌性,再使用TSM-6010LA型掃描電鏡觀察斷口形貌,確定焊接接頭的斷裂機(jī)理。

通過分析TC4/TA16異種金屬焊接接頭的金相組織、力學(xué)性能和斷裂韌性,可以得出以下結(jié)論。

(1)通過TIG氬弧焊后,焊接接頭各區(qū)受熱不均勻，從而形成不同的組織結(jié)構(gòu)。由于焊接速度較慢,使組織長(zhǎng)時(shí)間處在高熱區(qū),導(dǎo)致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒偏大。與TC4相比,TA16側(cè)熱影響區(qū)導(dǎo)熱較慢,使晶粒尺寸大于TC4側(cè)熱影響區(qū)的晶粒尺寸。

(2)焊接接頭的屈服強(qiáng)度接近于TA16母材的屈服強(qiáng)度,而延伸率和抗拉強(qiáng)度均低于兩母材。TA16側(cè)熱影響區(qū)在焊接過程中過熱時(shí)間較長(zhǎng),致使晶粒較大,故硬度降低,力學(xué)性能下降?？梢缘贸?，TC4/TA16異種焊接接頭的拉伸薄弱環(huán)節(jié)位于TA16熱影響區(qū)中。

(3)焊接接頭斷裂韌性在不同區(qū)域變化較大。TA16側(cè)熱影響區(qū)CTOD值最高,這是由于裂紋的塑性區(qū)較小,裂紋擴(kuò)展需要吸收較大的能量。當(dāng)3點(diǎn)彎缺口位于TC4區(qū)域時(shí),裂紋擴(kuò)展需要吸收的能量低故其CTOD值較低。

晶之間產(chǎn)生并擴(kuò)展,最終形成沿晶斷裂的形貌特征。

表5為熱處理后的焊接接頭高溫拉伸和高溫持久試驗(yàn)結(jié)果,表明焊接接頭經(jīng)熱處理后,400℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的95%以上,并且持久強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。無論焊前是否涂覆活性劑,焊后熱處理均可以顯著強(qiáng)化焊接接頭,使焊接接頭滿足使用要求。因此,TC17鈦合金對(duì)TIG焊接方法具有良好的適應(yīng)性,顯示出這種合金具有良好的焊接性。

結(jié)論

( 1 )TC17鈦合金TIG焊接接頭存在明顯的3個(gè)區(qū)域,即焊縫熔合線和熱影響區(qū)。焊縫區(qū)柱狀晶特點(diǎn)明顯并沿垂直于熔合線的方向生長(zhǎng),熱影響區(qū)晶粒較大;焊接接頭組織較母材有軟化的傾向。

(2)焊前涂覆活性劑可以減少焊接接頭氣孔的產(chǎn)生,活性劑TIG焊接和傳統(tǒng)TIG焊接均可以獲得符合HB5376-1987標(biāo)準(zhǔn)的I級(jí)焊縫。焊后熱處理能夠改善焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶體組織,使焊接接頭硬度大幅提高。

(3 )焊后焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的85%以上，熱處理后接頭強(qiáng)度可達(dá)母材的90%以上;熱處理后的焊接接頭高溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到母材95%以上,并且持久性能滿足設(shè)計(jì)需求,顯示出TC17鈦合金具有良好的焊接性。