焊后熱處理對TA15鈦合金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、比強度高等優點，在航空航天、石油化工、化學工業、生物醫學等領域得到廣泛應用 [1] 。TA15鈦合金是一種高Al當量的近α型鈦合金，名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V [2-3] 。該合金具有α型和α＋β型鈦合金的許多優點，具有中等的室溫強度、高溫強度，良好的熱穩定性和焊接性能 [４] 。 在航空領域，TA15 鈦合金板材因具有優良的機械加工性能和焊接性能，尤其適用于大型復雜壁板類零件的制造，而焊接接頭的質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量的重要指標，在彎曲變形過程中彎折外側受到拉應力，彎折內側受到壓應力，板材在拉、壓應力的作用下發生彈性和塑性變形，當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性能最常用的方法 [5-6] ，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下TA15鈦合金板材，厚度為6mm，其室溫力學性能要求如表 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，確定最優熱處理制度。

2、試驗結果及分析

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，晶粒沿軋制方向呈現出一定的方向性排列。 焊縫區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，呈現出網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致焊縫處力學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，未經過退火處理的焊縫處柱狀晶較為粗大，晶界平直，α相呈網籃狀分布，β相偏聚于枝晶間。 如圖 3（ｂ，ｃ）所示，經750 ℃ ×90min、750 ℃ ×120min 退火處理后，焊縫處依然呈現出明顯的網籃狀組織。 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，焊接應力被進一步消除，但是焊縫組織在退火過程中并未發生實質性的細化，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變逐漸清晰，焊縫組織在這一轉變過程中被部分破碎、細化，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。 根據焊接工藝規范要求，設定彎芯直徑為 3Ｔ（Ｔ 為板材試樣厚度），彎曲角度的選擇為在滿足規范要求30°的基礎上，對彎曲30°時未開裂的試樣繼續增大彎曲角度直至開裂，彎曲后試樣形貌如圖４ 所示，彎曲結果統計如圖5 所示。

焊接狀態下試樣彎曲性能較差，彎曲至標準規定的 21°即發生開裂，開裂發生在焊縫區域，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，導致焊接接頭處塑性較差，彎曲性能較差。經 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生明顯轉變，試樣整體塑性未得到改善，但焊接應力的消除在一定程度上對綜合力學性能的提升做出了貢獻。 經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。

不同退火狀態下TA15鈦合金板材焊接試樣的極限彎曲性能測試結果進一步印證了焊接接頭處的組織演變規律，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） 采用一般的焊后穩定化退火處理（750 ℃ ×90min和 750 ℃ ×120min）可以起到消除焊接應力的作用，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　凱． 鈦合金的研究進展與應用[Ｊ]． 航天制造技術， 2011（４）： ４5-４８．

Ｌｉｕ Ｑｉｘｉａｎ， Ｌｉｕ Ｙａｎｇ， Ｇａｏ Ｋａｉ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｔｉTAｎｉｕｍ 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用[Ｍ]． 北京： 國防工業出版社， 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：中國標準出版社， 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 ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃAl ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴAl5TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙｓｂｙ 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]． 材料熱處理學報， 2011， 32（1）： 1４-1８．

Ｚｈａｏ Ｙａｎｌｅｉ， Ｌｉ Ｂｏｌｏｎｇ， Ｚｈｕ Ｚｈｉｓｈｏｕ， ｅｔ Al． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＴＣ21TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙ[Ｊ]． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆＭａｔｅｒｉAlｓ 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]． 材料熱處理學報， 2020， ４1（1）： ４４-４9．

Ｌｕ Ｋａｉｋａｉ， Ｚｈｏｕ Ｌｉｐｅｎｇ， Ｌｉminｎａ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｎｄｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃAl ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ TA15TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙ [ Ｊ]． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＭａｔｅｒｉAlｓ ａｎｄ ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ， 2020， ４1（1）： ４４-４9．

[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]． 焊接學報， 2010， 31（7）： 5-８．

Ｃｈｅｎ Ｇｕｏｑｉｎｇ， Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎｇｇａｎｇ， ＷａｎｇTiｎｇ， ｅｔ Al． Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃAl ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｗｅｌｄｅｄ TA15TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙｊｏｉｎｔｓ[Ｊ]． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ， 2010， 31（7）： 5-８．

[８] 朱景川， 何　 東， 楊夏煒， 等．TA15鈦合金雙重熱處理工藝及其微觀組織演化的 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 ｄｕAlｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅVｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ TA15TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙ[Ｊ]．Ｒａｒｅ ＭｅｔAl ＭａｔｅｒｉAlｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， 2013， ４2（2）： 3８2-3８6．