TZM合金的制備及焊接工藝

（西安汽車科技職業學院，陜西 西安 710000）

1 粉末冶金方法制備TZM合金

1.1 混料工藝

a.粉末量的計算。Ti和Zr以氫化物形式加入，目的是提高它們在燒結過程中的化學活性，以利于生成強化相。TZM合金各元素的質量百分比為0.5%TiH2，0.08%ZrH2，0.03%C，余量Mo。預制板坯的質量為1000g。

b.TZM合金粉料的混合。采用球磨法進行原料顆粒細化和粉末混合。球磨設備以及參數如下：

球磨方法：磨桶內先放入50g鉬粉，再放入小球，之后將氫化鈦粉末0.5g、氫化鋯粉末0.08g及石墨粉末0.03g和剩余49.39g的鉬粉加入磨筒，放置在球磨機上進行球磨，球磨時間為四小時。

在混合原料的制備過程中，球磨機的工作原理是當尼龍桶轉動時，裝在尼龍桶內的磨球和被研磨物料在摩擦力和離心力的作用下隨尼龍桶旋轉至一定高度，然后自動落下，對尼龍桶內物料產生沖擊和磨削作用而將物料磨碎[1]。

1.2 壓坯工藝

壓制成形是粉末冶金工藝過程中的重要工序之一。

本試驗粉末壓制成形方法以及壓制過程中的工藝參數如下：

壓制方法：單向壓制；預制板狀試樣的尺寸：143.12mm×59.2mm×12.2mm；壓力機選擇：YJ3000型萬能液壓機；加壓延時：3s；泄壓延時：3s；壓坯壓力：350Mpa。

1.3 燒結工藝

燒結目的是使粉末顆粒間產生冶金結合，即使粉末顆粒之間由機械嚙合轉變成原子之間的晶界結合。

a.燒結設備及參數

燒結設備：中頻感應燒結爐；型號：HM3002；燒結方式：固相燒結；功率：160KW；爐體尺寸：Φ400×600；燒結保護氣氛：氫氣。

b.燒結工藝路線

84g·mol-1×xmol+106g·mol-1×ymol=13.7g,58.5g·mol-1×(xmol+2ymol)=11.7g,聯立解得:x=0.1,y=0.05,則 NaHCO3的質量為0.1 mol×84g·mol-1=8.4g,NaHCO3的質量分數為。

①將冷壓所得的坯料，放入中頻感應燒結爐的爐膛內；②室溫下，向中頻感應燒結爐通入純度為99.99%的氫氣，通氣時間為2h，目的是排除中頻感應燒結爐中的空氣；③打開中頻感應燒結爐的電源，設定好燒結溫度，升溫到設定溫度后記錄時間；④燒結完成后，試樣隨爐冷卻。

2 TZM合金板材的軋制

軋制是TZM合金板材生產過程的重要工序，該工序不但要完成幾何形狀的變化，還要完成燒結態向加工態的組織轉變，從而改變板材的力學性能和工藝性能，為后續加工奠定良好的基礎。

TZM合金板坯開坯溫度是1250～1350℃。橫軋在板料退火后進行，目的是降低方向性，橫軋加工率控制在40%～45%。

（1）軋制設備及參數

二輥軋機：Φ450×550；

氫氣氣氛保護爐：400×1300；

液壓剪床：QC12Y-12×2000。

（2）軋制工藝

圖1 TZM合金板材軋制工藝流程圖

第一火次軋制變形量為37%，后面軋制溫度略低。最后兩個火次交叉軋制，沿長度方向軋制到需要的板寬，再將板材旋轉90度，沿垂直于板坯長度方向進行軋制，直至達到指定的2.5mm厚度。經軋制后TZM合金板材尺寸約為316mm×130mm×2.5mm。

3 TZM合金板材的鎢極氬弧焊工藝

獲得優質的焊接接頭是焊接工藝過程的關鍵，必須選用適當的焊接方法、焊接參數以及協調影響焊接質量的其他因素，從而最大限度發揮TZM合金的可焊性。試驗中，我們選擇鎢極惰性氣體保護焊（鎢極氬弧焊）的焊接方法。

3.1 焊接工藝參數

焊接設備：WSEM300焊機

試驗采用直流正接電源對焊方式，對接接頭間的間隙1mm。在試驗板（與工件材質相同）上引燃電弧后并保持不動，待電弧燃燒5s～10s滅弧，然后檢查熔化焊點周圍有無明顯光亮的圓圈。光亮清晰，說明氣體保護效果越好或者利用顏色觀察法，在試驗板上焊接，焊后觀察焊縫表面的氧化色，以鑒別氣體保護效果。

表1 氬弧焊主要工藝參數

3.2 焊后試樣X射線探傷照片分析

X射線的波長為0.001～0.1nm，當射線通過被檢驗物體時，物體中有缺陷的部位與無缺陷部位對射線的吸收能力不同，一般情況是透過有缺陷的部位的射線強度高于無缺陷部位的射線強度，由于被檢驗物體的射線強度的差異的存在，而引起射線透過工件后的強度差異，使缺陷能在射線底片或X光電視屏幕上顯示出來，由此判斷被檢驗物體中是否存在缺陷。

從X射線探傷照片可以看出，(a)試樣的焊縫成型較好；(b)試樣出現了縱向裂紋；(c)試樣的焊縫成型較差；(d)試樣有輕微的咬邊現象。

試樣(b)的縱向裂紋是焊接電流過大引起的，當焊接電流較大時，晶粒主軸的成長方向就越接近垂直于焊縫的中心線，易形成脆弱的結合面，當結晶繼續進行時，晶粒不斷增多，且不斷長大。在這種情況下，由于液態金屬少，在拉伸應力作用下所產生的微小縫隙無法填充，故在固液狀態下金屬的塑性極小，致使其產生縱向裂紋。

試樣(c)成型較差，這是由于焊接速度過快造成熱量不夠，焊接件未被焊透導致在焊接過程中形成了氣孔缺陷。

試樣(d)的咬邊現象是由于焊接電流過大導致焊件被熔化去一定深度，而填充金屬又未能及時填滿引起的。咬邊減小了母材接頭的工作截面，從而在咬邊處造成應力集中。

4 結語

綜上所述，(a)組參數（焊接電流為210A，焊接速度為250mm·min-1）焊接的試樣最為合理，無明顯缺陷。選用此組參數焊接試樣，并將其用線切割加工成拉伸測試試樣。

[1]車月明，張華俊.焊接結構中常見缺陷的成因和防止措施[J].機械管理開發，2009，24(3)：72～74.