TC4/TA16耐熱耐腐蝕異種鈦合金

鈦及鈦合金因其*的耐熱、耐腐蝕及比強度高等特點,在航空﹑航天,核能、化學工業等領域應用廣泛"。其中,TC4鈦合金屬于Ti-Al-V系典型的α+ β 型雙相熱強鈦合金,目前是航空領域應用廣泛的材料之一2。我國自行研制的TA16為α鈦合金,具有優異的抗腐蝕性能和抗變形能力,主要用于聯接管道I。TC4/TA16焊接件可用于飛機管道系統,比單一的TC4有著更好的加工成形性能,同時比單一的TA16管道有更高的強度,這種異種鈦合金焊接件綜合了各個母材的優點,具有重要的戰略意義。目前,國內外對TC4氬弧焊焊接接頭的研究已趨于成熟“5),但對TA16的焊接接頭研究仍較少,而對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和使用進程。本文針對TC4與TA16鈦合金氬弧焊接頭微觀組織、力學性能、斷裂的特點進行了研究,旨在分析TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的斷裂機理,為材料的壽命預測和完整性研究提供依據。1試驗材料和方法

試驗焊接接頭的母材選用TC4、TA16 的軋制板材,經過氬弧焊接成板材,后線切割成100mm x 20mm x 3mm,同時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,去除內應力。母材TC4、TA16的化學成分如表12所示,力學性能如表3所示。采用OLYMBUS BX51M光學顯微鏡對母材﹑焊縫、熱影響區進行微觀組織形態觀察。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。

硬度測試在FM800小負荷維氏硬度計上進行,沿著焊縫中心每隔0.5mm打一次點,再分別在母材、焊縫和熱影響區部位每隔0.5mm打一次點,最后分別得到橫向和縱向硬度分布曲線。測試時使用的載荷為0.5kg,

保壓時間15s。制備拉伸試樣,焊縫位于中心,標距長度30mm,采用MTS材料拉伸試驗機進行試驗,位移速率為0.3mm/min。

加工3點彎試樣,尺寸如圖2所示。線切割位置分別位于TC4母材、TC4側熱影響區、焊縫中心、TA16側熱影響區、TA16母材。采用MTS 880材料試驗機,測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理。

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

(1)通過TIG氬弧焊后,焊接接頭各區受熱不均勻，從而形成不同的組織結構。由于焊接速度較慢,使組織長時間處在高熱區,導致焊縫區和熱影響區的晶粒偏大。與TC4相比,TA16側熱影響區導熱較慢,使晶粒尺寸大于TC4側熱影響區的晶粒尺寸。

(2)焊接接頭的屈服強度接近于TA16母材的屈服強度,而延伸率和抗拉強度均低于兩母材。TA16側熱影響區在焊接過程中過熱時間較長,致使晶粒較大,故硬度降低,力學性能下降。可以得出，TC4/TA16異種焊接接頭的拉伸薄弱環節位于TA16熱影響區中。

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

晶之間產生并擴展,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結果,表明焊接接頭經熱處理后,400℃抗拉強度達到母材的95%以上,并且持久強度滿足設計要求。無論焊前是否涂覆活性劑,焊后熱處理均可以顯著強化焊接接頭,使焊接接頭滿足使用要求。因此,TC17鈦合金對TIG焊接方法具有良好的適應性,顯示出這種合金具有良好的焊接性。

結論

( 1 )TC17鈦合金TIG焊接接頭存在明顯的3個區域,即焊縫熔合線和熱影響區。焊縫區柱狀晶特點明顯并沿垂直于熔合線的方向生長,熱影響區晶粒較大;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生,活性劑TIG焊接和傳統TIG焊接均可以獲得符合HB5376-1987標準的I級焊縫。焊后熱處理能夠改善焊縫區和熱影響區的晶體組織,使焊接接頭硬度大幅提高。

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