不同热处理状态的Ti2AlNb合金激光焊接接头组织与性能
1 引言
Ti2AlNb基合金具有比强度高、比刚度高、断裂韧性好、高温抗氧化、热膨胀系数低等优点,这种轻质耐高温材料在航空航天领域的应用越来越广泛,得到了各国研究人员的重视,具有广阔的应用前景[1-2]。Ti-22Al-27Nb合金是Ti2AlNb基合金的一种,其组织由B2相(体心立方结构)、O相(有序正交结构)和α2相(密排六方结构)组成[3],是一种力学性能优异的材料。
为了拓展Ti2AlNb基合金的应用,焊接技术的研究工作是其应用推广的关键技术之一。目前国内外学者针对Ti2AlNb基合金的焊接技术的研究主要集中于激光焊[4]、电子束焊[5]、搅拌摩擦焊[6]、钎焊[7]等领域。激光焊接技术具有能量密度高[8]、热输入小[9]、焊接速度快[10]等优点,因此,Ti2AlNb基合金的激光焊接技术具有很高的研究价值。Ti2AlNb基合金的激光焊接技术的研究热点主要集中于焊接组织与性能的关系,鲜有学者研究不同热处理板材的焊接组织与性能的关系。但是Ti2AlNb基合金的组织演化与热处理工艺的选择密切相关,通过改变材料组织状态可以有效地改变接头的力学性能。Ti2AlNb基合金的焊接接头的脆性已经得到国内外学者广泛认可[11-12]。为了提高焊接接头的塑性性能,通过改变焊接板材的组织形态来提高焊接接头的塑性变形能力具有重要的意义。
本文主要研究3种组织状态的Ti-22Al-27Nb合金板材的激光焊接组织与性能的关系,分别是热轧态[B2+O(针状)+α2(棒状,晶内)]、1080 ℃/40 min/水冷态(HT1,B2相)和980 ℃/3 h/油冷态[HT2,B2+O(细小的棒状)+α2(晶界不连续析出、晶内部分溶解)],分析热处理过程和焊接过程中Ti-22Al-27Nb合金的组织演变规律,研究力学性能与组织之间的内在关系,探索出可以提高激光焊接接头塑性的板材组织状态。
2 研究方法
试验材料为2 mm厚的Ti-22Al-27Nb合金板材,合金的主要成分如
表 1. Ti-22Al-27Nb合金化学成分(质量分数,%)
Table 1. Chemical compositions of Ti-22Al-27Nb alloy(mass fraction, %)
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图 1. Ti-22Al-27Nb合金的微观组织。(a)金相微观组织;(b) SEM图
Fig. 1. Microstructure of Ti-22Al-27Nb alloy. (a) Metallographic microstructure; (b) SEM image
试验设备采用光纤激光器(YLS-5000,IPG光电公司,美国),最大输出功率为5000 W,输出波长为1060 nm。焊接过程采用试板正面和背面同时保护的方式,正面和背面的保护气流量分别为15 L/min和5 L/min,保护气体为高纯氩气。为得到成形良好的焊缝,焊接参数可选为激光功率1500 W,焊接速度1 m/min、离焦量0 mm。热处理试验所采用的高温热处理炉(SX-2-10-13箱式电阻炉,无锡建仪实验器材有限公司,无锡)的额定功率为10 kW,额定温度为1300 ℃。为得到单一的B2相板材和部分α2相溶解于晶内的板材,分别进行1080 ℃下保温、40 min后水冷淬火(HT1)和980 ℃下保温、3 h油冷淬火处理(HT2)。由于钛合金在高温下极易与空气中的气体发生反应,为防止空气中的气体造成Ti2AlNb的性能下降,将试件密封在真空的玻璃管中进行热处理试验。
组织分析的试验件采用线切割切成5 mm×3 mm的试样,依次使用60#、200#、240#、400#、600#和800#的金刚石砂纸打磨。然后采用电解抛光的方式进行抛光,抛光液为甲醇∶正丁醇∶高氯酸体积比为6∶3∶1的混合溶液。在液氮冷却的条件下,采用抛光电流为1 A、抛光电压为20 V的参数进行抛光。组织观察分别在金相显微镜(VHX-1000E,Keyence,日本)和场发射扫描电子显微镜(Quanta-200,FEI公司,美国)上进行,扫描电子显微镜的观察模式采用二次电子模式。接头的室温和650 ℃力学性能分别在拉伸试验机(Instron 5569,扬州中朗,扬州)和高温拉伸试验机(Instron 5500R,扬州中朗,扬州)上进行,室温和650 ℃拉伸试样的尺寸如
图 2. 拉伸试样尺寸。(a)室温;(b) 650 ℃
Fig. 2. Size of tensile specimen. (a) Room temperature; (b) 650 ℃
3 结果与讨论
3.1 热轧态板材激光焊接接头组织
Ti-22Al-27Nb合金的热轧制板材的组织存在B2相、O相和α2相3种不同的相结构。Ti-22Al-27Nb合金的激光焊接焊缝组织为单一的B2相,液态金属冷却后首先进入了B2相区,由于激光焊接熔池的冷却速度可到500 K/s以上[13-14],较快的冷却速度严重抑制了B2相向O相和α2相的转变,因此B2相得以保留至室温状态。焊缝的晶粒形态为粗大的柱状晶,与母材的晶粒保持着良好的联生结晶的位向关系,如
3.2 HT1板材激光焊接接头组织
Ti-22Al-27Nb合金的性能与组织结构存在强烈的内在关系,相组成、尺寸与数量均对合金的力学性能产生较大的影响。文献[ 15]研究了Ti-22Al-XNb合金的相图,对于Ti-22Al-27Nb合金来说,B2相转变温度为1060 ℃。前期研究结果[11]表明,Ti-22Al-27Nb合金的激光焊接接头具有明显的室温与高温脆性,为了提高焊接接头的延伸率,对焊材在B2相区进行热处理,得到单一的B2相的母材。B2相为体心立方结构,理论上可以开动的滑移系最多为48个,相对于α2相(密排六方结构,<a>型位错可以开动)和O相(斜方结构,<a>+<c+a/2>位错可以开动,其中a和c代表滑移方向),试图通过改变板材中的相组成来改善接头的力学性能。
1080 ℃位于Ti-22Al-27Nb合金的B2相区内,1080 ℃/40 min的热处理过程使得原始材料中的O相和α2相向B2相基体中全部溶解,形成单一的B2相组织,水冷淬火处理可以抑制B2相的分解析出行为,单一的B2相组织得以保留至室温,如
图 4. 热轧制板材的激光焊接接头热影响区组织。(a)热影响区宏观组织;(b)远离焊缝侧(A区); (c)中部区域(B区);(d)靠近焊缝侧(C区)
Fig. 4. Microstructure of heat affected zone of laser welded sheet joint under hot rolling. (a) Macrostructure of heat affected zone; (b) zone away from fusion zone (A zone); (c) middle zone (B zone); (d) zone close to fusion zone (C zone)
HT1板材激光焊接焊缝组织如
图 7. HT1板材的焊缝组织。(a)金相微观组织;(b) SEM图
Fig. 7. Microstructure of weld of HT1 sheet. (a) Metallographic microstructure; (b) SEM image
3.3 HT2板材激光焊接接头组织
980 ℃位于Ti-22Al-27Nb合金相图的B2+O双相区和B2+O+α2三相区交界处,在该温度下热处理可以促进O相的溶解和α2相的不连续析出。由
图 8. HT2板材的组织。(a)晶界;(b)晶内
Fig. 8. Microstructure of HT2 sheet. (a) Grain boundary; (b) within grains
HT2板材的激光焊接热影响区由于受激光热源的热作用不同,可以分为3个区域:B2相区、B2+α2相区和B2+O+α2相区,如
图 11. 不同状态板材激光焊接接头室温力学性能
Fig. 11. Mechanical properties at room temperature of laser welded sheet joints under different states
图 12. 不同状态板材激光焊接接头室温拉伸曲线
Fig. 12. Tensile curves at room temperature of laser welded sheet joints under different states
图 13. 不同状态板材激光焊接接头650 ℃的力学性能
Fig. 13. Mechanical properties at 650 ℃ of laser welded sheet joints under different states
图 14. 不同状态板材激光焊接接头650 ℃拉伸曲线
Fig. 14. Tensile curves at 650 ℃ of laser welded sheet joints under different states
3.4 激光焊接接头的力学性能
4 结论
Ti2AlNb基合金性能对组织非常敏感,目前关于不同热处理状态的Ti2AlNb基合金激光焊接技术研究还未展开。论文研究了热轧态、HT1态和HT2态等3种不同热处理状态下Ti2AlNb基合金板材组织与激光焊接接头的组织演变,3种不同状态Ti2AlNb基合金的焊缝组织均为单一的B2相,但热影响区的组织有所不同。
Ti2AlNb基合金的激光焊接接头具有明显的脆性问题,HT2态板材接头具有很高的延伸率,对提高接头的塑性具有很大的意义。后期可以开展焊后不同热处理工艺对Ti2AlNb基合金激光焊接接头组织与性能的影响研究,以进一步提高激光焊接接头的塑性。
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