热处理对激光焊接β钛合金组织及性能的影响

　　摘要：采用激光焊焊接Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)β钛合金，研究热处理对接头显微组织和拉伸性能的影响。由于激光焊接的冷却速率可达553 K/s，远大于β相向其他物相转变的临界冷却速率，所以焊缝显微组织由柱状晶形态的单一β相构成。在近热影响区，初生α相和次生α相均转变为β相，且β相晶粒尺寸增大;在远热影响区，尺寸较大的初生α相得以保留。780 ℃/1 h/WQ热处理后，焊缝中生成厚度约为150～350 nm、长度约为1～3 μm短棒状α相，焊接头强度和延伸率有所提高;780 ℃/1 h/WQ+500 ℃/6 h/FC热处理后，焊缝中生成厚度约为30～40 nm，长度约为150～300 nm的α相，接头强度进一步提高，但断裂发生在弹性变形阶段。

　　关键词：激光焊接;β钛合金;热处理;组织性能

　　0 前言

　　钛合金凭借其比强度高、耐腐蚀和抗氧化性能优良等优点在航空航天领域应用广泛。近年来，含有较多β相稳定元素(如Mo、V、Fe)的β钛合金越来越受到重视[1-2]。目前国际上的β钛合金主要有BT22、Timetal555等，国内的Ti-1300、TB8等β钛合金也逐渐走出实验室，走向实际应用。

　　在生产制造复杂结构件的过程中不可避免的会涉及到焊接工艺，高效可靠的焊接工艺对推进β钛合金在航空航天领域的应用具有积极意义。目前，针对β钛合金的相关研究主要集中在材料的成分设计、工艺优化等方面[3-5]，β钛合金焊接方面的研究则相对滞后。Zhenglong Lei等[6]研究了TB8合金激光扫描焊接接头显微组织特征，并对比了不同焊后热处理制度下的组织和性能演变规律。焊缝在未热处理状态下其显微组织仅由单一β相构成，在550 ℃/1 h/空冷热处理后接头具有最佳室温和高温拉伸性能。马权等人[7]研究了热处理对Ti-1300β钛合金电子束焊接接头组织和性能的影响规律。结果果发现，焊缝物相主要由β相构成，α相的生成数量极少，焊前热处理对接头物相、性能的影响不大，焊后热处理过程中有α相生成，通过调整热处理参数可调节α相的数量、尺寸等，获得不同的拉伸性能。

　　文中针对Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)β钛合金的激光焊接特性进行研究，探索不同热处理参数对接头组织和性能的影响规律，对该合金的开发完善以及后续焊接工艺的制定具有参考作用。

　　1 实验材料及方法

　　实验所采用的β钛合金Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)为锻材。采用线切割方法制备成厚2 mm的薄片。焊接实验前采用磨床加工除掉样品表面线切割痕迹，经过酸洗、干燥后进行焊接。

　　激光焊接示意如图1所示，具体工艺参数为：激光功率1 200 W，焊接速度1.0 m/min，离焦量0 mm，正面保护气流量15 L/min，背面保护气流量5 L/min。考虑到焊缝区域主要由β相构成，选取焊后热处理参数如表1所示，通过HT1固溶处理和HT2固溶时效处理后能够获得不同尺寸、数量的α相，从而对比研究两種热处理参数下显微组织和性能的变化规律。

　　金相试样和拉伸试样均沿垂直于焊缝方向取样。金相试样在打磨抛光后采用Kroll试剂腐蚀，其具体比例为60%H2O+35%HNO3+5%HF。显微组织分析分别在扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)上进行，其具体型号分别为FEI Inspect F50、JSM-7800和FEI Tecnai G2 F20。在Oxford Instrumens C-nano上进行EBSD分析。在WD-5型电子万能拉伸试验机上进行室温拉伸实验。

　　2 分析与讨论

　　2.1 接头焊态组织分析

　　Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金激光焊接接头形貌的EBSD分析结果如图2所示。可以看出，焊缝由柱状晶形态的β相构成，其形成原因是：激光焊接能量集中，在熔池中会形成较大的温度梯度，β相晶粒沿着温度梯度最大的方向生长，最终形成柱状晶。在焊缝区域未见α相生成。当β钛合金中Mo当量达到或超过10%时，可以获得100%的β相[8]。Mo当量计算公式为[9]：

　　根据式(1)计算出Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金的Mo当量为10%。已有研究结果显示，在β钛合金中，当冷却速率大于3 ℃/s时，可以有效抑制β相向其他物相转变，进而得到100%的β相组织[10]。激光焊接的冷却速率可以利用式(2)定性计算[11]：

　　式中 k为热导率;ρ为密度;Cp为比热容;V为焊接速度;t为被焊板材厚度;q为激光功率，吸收系数为0.7;T为熔点;T0为室温，取25 ℃。计算涉及的部分热物理参数来自Ti-55531合金的相关参数[12]，如表2所示。据此计算出的冷却速率约为553 K/s，远大于形成单一β相所需的临界冷却速率，因此激光焊接焊缝物相为单一β相。

　　热影响区形貌EBSD分析结果如图3所示。可以看出，母材的晶界类型以2°～15°的小角晶界为主，而热影响区以15°～180°的大角晶界为主。小角晶界是在母材制备过程中由于位错运动形成的，在塑性加工的合金中较为常见;在热影响区，由于受到激光热源的热作用发生晶粒的回复和再结晶过程，位错密度大大降低;靠近焊缝的区域受到热作用最为明显，晶粒尺寸会进一步长大。与此同时，热影响区中α相的数量减少，越靠近焊缝的区域，α相的数量越少。

　　2.2 热处理对显微组织的影响

　　母材原始显微组织和热处理后的显微组织如图4所示。母材的原始组织如图4a所示，由基体β相、椭球状的初生α相以及细小的片层状次生α相构成。初生α相的形成温度一般略低于β相转变温度，而次生α相的形成温度一般在400～600 ℃之间。HT1热处理后，其显微组织如图4b所示，次生α相的数量显著减少，α相形态为短棒状。而经过HT2热处理后，其显微组织如图4c所示，细小且弥散分布的α相析出，尺寸较母材原始组织更加细小。

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文章名称： 热处理对激光焊接β钛合金组织及性能的影响

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