TiAl合金電子束焊接接頭裂紋敏感性及組織與性能

王金雪 張國棟 袁 鴻 余 槐 高健時

TiAl合金電子束焊接接頭裂紋敏感性及組織與性能

王金雪 張國棟 袁 鴻 余 槐 高健時

（北京航空材料研究院，北京 100095）

通過調節焊接熱輸入、焊前預熱及焊后緩冷等方法，研究了TiAl合金的電子束焊接裂紋敏感性，并測試了焊接接頭的室溫及高溫拉伸性能。結果表明，減小焊接熱輸入和焊前預熱及焊后緩冷工藝能夠減小合金的裂紋傾向，改善焊縫組織的塑性、韌性，消除焊縫凝固裂紋的產生；焊接接頭室溫抗拉強度為367MPa，760℃高溫抗拉強度為412.5MPa，室、高溫拉伸試樣全部斷裂于母材部位，表明無裂紋的TiAl合金電子束焊接接頭具有良好的室、高溫拉伸性能。

TiAl合金；電子束焊接；裂紋敏感性；組織；性能

1 引言

TiAl基合金在高溫結構材料應用領域具有極大的應用前景，是替代600℃以上鈦合金、800℃以下高溫合金的首選材料。TiAl金屬間化合物具有密度低（僅為3.8～4.0g/cm）、比強度高、比彈性模量高等特點，其室溫至800℃強度保持率達80%，另外還具有高的蠕變抗力、優異的抗氧化和阻燃性能，可在760～800℃長期工作，是非常具有發展前途的輕質耐高溫結構材料。上世紀末美國在一項旨在把軍用渦輪發動機推重比提高一倍的研究計劃中,把TiAl系合金作為重點研究發展的高溫結構材料。

國內TiAl金屬間化合物方面還處于研制階段，目前國內專家學者在TiAi金屬間化合物的連接方面主要專注于其釬焊或固相連接方法，由于TiAi金屬間化合物的熱裂敏感性強，采用氬弧焊、激光焊、電子束焊接等熔化焊方法焊接時，獲得無裂紋的焊接接頭難度較大。本文通過調節焊接熱輸入和焊前預熱及焊后緩冷等方法研究TiAl合金的電子束焊接裂紋敏感性，旨在改善焊縫組織的塑性、韌性，減小合金的熱裂紋傾向，有效控制焊縫裂紋的產生。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

本文中試驗材料為鑄造后經熱等靜壓處理的TiAl合金方棒，合金名義成分為Ti-48Al-2Cr-2Nb，經機加工成65mm×20mm×2.5mm規格的焊接試板。

2.2 試驗方法

電子束焊接工藝試驗在北京航空材料研究院ELA-30型真空電子束焊機上進行，電子束焊接采用“Ⅰ”型平口對接形式，對接間隙不大于0.1mm。

由于焊縫凝固收縮、變形造成的應力較大，對于脆性較大的TiAl合金材料，焊接過程中產生的應力造成焊接裂紋。通過對焊接過程應力變形情況的分析，設計了專用焊接工裝，降低拘束應力，如圖1所示，有助于獲得完整的焊接接頭。

圖1 TiAl合金試板電子束焊接專用工裝

通過散焦電子束往返掃描的方式實現整個試板的預熱升溫，如圖2a，預熱溫度在700～800℃之間。焊接時，在保證焊縫成形的前提下，采用盡可能小的焊接工藝參數，以降低焊接熱輸入。焊接程序結束后，立刻通過電子束散焦對焊接接頭區域進行掃描加熱，使焊接后試板的溫度降低較少，降低焊后冷卻速度。整個過程的溫度曲線通過固定在試板上的熱電偶和溫度記錄儀記錄，溫度測量位置如圖2b所示。

圖2 熱電偶溫度測量位置

3 試驗結果與分析

3.1 焊接試驗及結果

通過上述試驗方法，對比研究了在同樣預熱和焊接參數的條件下，不同的焊后冷卻速度與裂紋產生的關系。

針對2.5mm厚TiAl合金試板，編號為1～6，6組對接試板焊后冷卻速度依次變緩，其焊接過程溫度曲線如圖3所示。焊后冷卻速度相對較快的1#和2#試板焊后檢查發現較為明顯的裂紋，圖4為1#試板焊后裂紋形貌，裂紋為垂直焊縫橫向貫穿焊縫及母材，而焊后冷卻速度依次趨緩的3#～6#試板焊后放置過程中未發現裂紋，如圖5所示，焊接試板熒光及射線檢測均未發現裂紋缺陷，焊縫質量滿足GJB1718A—2005中I級焊縫要求。采用焊前預熱以及焊后緩慢冷卻的工藝，可以有效減小TiAl合金電子束焊接接頭的裂紋敏感性，獲得無裂紋的焊接接頭。

圖3 預熱+焊接+緩冷整個過程溫度變化曲線

圖4 1#試板焊縫裂紋形貌

圖5 3#～6#TiAl合金電子束焊接試板

3.2 斷口及組織分析

對TiAl合金電子束焊接接頭裂紋的斷口進行了斷口掃描電鏡觀察，發現母材、熱影響區及焊縫均表現為脆性解理開裂的河流花樣，如圖6所示。母材及熱影響區解理小刻面面積較焊縫處大，可能與焊縫細小組織有關。焊接接頭各區域顯微組織如圖7所示，母材及熱影響區為γ+(α2/γ)雙相組織。與母材及熱影響區粗大的片層組織不同，焊縫區片層更加細小，且分布不均勻。由于焊后冷卻速度快，α相的分解受到抑制，并未轉變為γ相，而是直接有序化形成α2相，因此，焊縫主要由有序的α2相及少量γ相組成，另外也有少量的B2相，B2相由熔池中結晶出的β相經過有序化得到，該相有利于提高合金的塑性，還可以通過緩解α2/γ界面上的應力集中，推遲α2相解理裂紋的形核。

圖6 裂紋斷口形貌

圖7 TiAl合金電子束焊接接頭微觀組織

3.3 接頭力學性能測試

焊接完成的TiAl合金電子束焊接試板經真空玻璃管封裝后在空氣爐中熱處理，熱處理制度為1010/6h，隨爐冷卻。隨后測試焊接接頭的力學性能，測試結果見表1。表中數據顯示，焊接接頭室溫抗拉強度為367MPa，延伸率為1.4%；760℃高溫抗拉強度為412.5MPa，延伸率為4.3%。接頭室、高溫拉伸試樣全部斷裂于母材部位，如圖8所示，表明無裂紋的TiAl合金電子束焊接接頭具有良好的室、高溫拉伸性能。

表1 TiAl合金電子束焊接接頭拉伸性能

圖8 TiAl合金電子束焊接接頭室、高溫拉伸斷裂試樣

4 結束語

a. 減小焊接熱輸入和焊前預熱及焊后緩冷工藝能夠減小TiAl合金的裂紋傾向，改善焊縫組織的塑性、韌性，有效控制焊縫裂紋的產生。

b. TiAl合金電子束焊接接頭裂紋斷口顯示，母材、熱影響區及焊縫均表現為脆性解理開裂的河流花樣，母材及熱影響區解理小刻面面積較焊縫處大，可能與焊縫細小組織有關。

c. 焊接接頭室溫抗拉強度為367MPa，760℃高溫抗拉強度達到412.5MPa，室、高溫拉伸試樣全部斷裂于母材部位，表明無裂紋的TiAl合金電子束焊接接頭具有良好的室、高溫拉伸性能。

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Crack Sensitivity and Microsturcture and Mechanical Properties of Electron Beam Welding Joints of TiAl Alloy

Wang Jinxue Zhang Guodong Yuan Hong Yu Huai Gao Jianshi

(Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095)

The electron beam welding crack sensitivity of TiAl alloys were studied by adjusting the welding heat input, preheating before welding and slow cooling after welding. The tensile properties of the welded joints at room temperature and high temperature were tested. The results show that the reduction of welding heat input, preheating before welding and slow cooling after welding could reduce the cracking tendency of alloys, improve plasticity and toughness of weld microsturcture, and eliminate weld solidification crack. The tensile strength of the welded joints was 367MPa at room temperature and 413MPa at high temperature of 760℃. All the tensile samples at room temperature and high temperature were broken at the base material, that indicating the TiAl alloy electron beam welding joints without cracks had good tensile properties at room and high temperature.

TiAl alloy；electron beam welding；crack sensitivity；microsturcture；mechanical properties

王金雪（1980），高級工程師，焊接專業；研究方向：航空材料及結構焊接技術研究。

2021-01-08