TC4/TA16耐热耐腐蚀异种钛合金

钛及钛合金因其*的耐热、耐腐蚀及比强度高等特点,在航空﹑航天,核能、化学工业等领域应用广泛"。其中,TC4钛合金属于Ti-Al-V系典型的α+ β 型双相热强钛合金,目前是航空领域应用广泛的材料之一2。我国自行研制的TA16为α钛合金,具有优异的抗腐蚀性能和抗变形能力,主要用于联接管道I。TC4/TA16焊接件可用于飞机管道系统,比单一的TC4有着更好的加工成形性能,同时比单一的TA16管道有更高的强度,这种异种钛合金焊接件综合了各个母材的优点,具有重要的战略意义。目前,国内外对TC4氩弧焊焊接接头的研究已趋于成熟“5),但对TA16的焊接接头研究仍较少,而对TC4/TA16异种钛合金氩弧焊接头的研究也极少。这在很大程度上制约了这种异种钛合金管的生产和使用进程。本文针对TC4与TA16钛合金氩弧焊接头微观组织、力学性能、断裂的特点进行了研究,旨在分析TC4/TA16异种钛合金氩弧焊接头的断裂机理,为材料的寿命预测和完整性研究提供依据。1试验材料和方法

试验焊接接头的母材选用TC4、TA16 的轧制板材,经过氩弧焊接成板材,后线切割成100mm x 20mm x 3mm,同时使焊缝中心位于焊接件的中心位置(见图1)。材料焊后的热处理制度为在600℃真空炉退火2h,随炉冷至室温,去除内应力。母材TC4、TA16的化学成分如表12所示,力学性能如表3所示。采用OLYMBUS BX51M光学显微镜对母材﹑焊缝、热影响区进行微观组织形态观察。金相样品的腐蚀剂为kroll试剂,试剂体积比为HF:HNO,: H,O=1 : 2 : 5。

硬度测试在FM800小负荷维氏硬度计上进行,沿着焊缝中心每隔0.5mm打一次点,再分别在母材、焊缝和热影响区部位每隔0.5mm打一次点,最后分别得到横向和纵向硬度分布曲线。测试时使用的载荷为0.5kg,

保压时间15s。制备拉伸试样,焊缝位于中心,标距长度30mm,采用MTS材料拉伸试验机进行试验,位移速率为0.3mm/min。

加工3点弯试样,尺寸如图2所示。线切割位置分别位于TC4母材、TC4侧热影响区、焊缝中心、TA16侧热影响区、TA16母材。采用MTS 880材料试验机,测试焊接接头不同位置处的断裂韧性,再使用TSM-6010LA型扫描电镜观察断口形貌,确定焊接接头的断裂机理。

通过分析TC4/TA16异种金属焊接接头的金相组织、力学性能和断裂韧性,可以得出以下结论。

(1)通过TIG氩弧焊后,焊接接头各区受热不均匀，从而形成不同的组织结构。由于焊接速度较慢,使组织长时间处在高热区,导致焊缝区和热影响区的晶粒偏大。与TC4相比,TA16侧热影响区导热较慢,使晶粒尺寸大于TC4侧热影响区的晶粒尺寸。

(2)焊接接头的屈服强度接近于TA16母材的屈服强度,而延伸率和抗拉强度均低于两母材。TA16侧热影响区在焊接过程中过热时间较长,致使晶粒较大,故硬度降低,力学性能下降。可以得出，TC4/TA16异种焊接接头的拉伸薄弱环节位于TA16热影响区中。

(3)焊接接头断裂韧性在不同区域变化较大。TA16侧热影响区CTOD值最高,这是由于裂纹的塑性区较小,裂纹扩展需要吸收较大的能量。当3点弯缺口位于TC4区域时,裂纹扩展需要吸收的能量低故其CTOD值较低。

晶之间产生并扩展,最终形成沿晶断裂的形貌特征。

表5为热处理后的焊接接头高温拉伸和高温持久试验结果,表明焊接接头经热处理后,400℃抗拉强度达到母材的95%以上,并且持久强度满足设计要求。无论焊前是否涂覆活性剂,焊后热处理均可以显著强化焊接接头,使焊接接头满足使用要求。因此,TC17钛合金对TIG焊接方法具有良好的适应性,显示出这种合金具有良好的焊接性。

结论

( 1 )TC17钛合金TIG焊接接头存在明显的3个区域,即焊缝熔合线和热影响区。焊缝区柱状晶特点明显并沿垂直于熔合线的方向生长,热影响区晶粒较大;焊接接头组织较母材有软化的倾向。

(2)焊前涂覆活性剂可以减少焊接接头气孔的产生,活性剂TIG焊接和传统TIG焊接均可以获得符合HB5376-1987标准的I级焊缝。焊后热处理能够改善焊缝区和热影响区的晶体组织,使焊接接头硬度大幅提高。

(3 )焊后焊接接头强度达到母材强度的85%以上，热处理后接头强度可达母材的90%以上;热处理后的焊接接头高温拉伸强度达到母材95%以上,并且持久性能满足设计需求,显示出TC17钛合金具有良好的焊接性。