TC17鈦合金激光焊接接頭微觀組織和力學性能

張群兵 東拓 譚猛猛 門浩翔 張建勛

摘要： 文中對TC17鈦合金進行了激光焊接，對接頭的宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度和拉伸性能進行了研究。結果表明，TC17母材的微觀組織為β相+等軸初生αp相，β相內存在大量次生αs相；熱影響區微觀組織變化較為復雜，隨著離焊縫距離的減小，αp逐漸減少，β逐漸增多，αs先消失、再產生、然后再次消失；焊縫由β相柱狀晶組成，柱狀晶內部是細長的枝晶，在焊縫的中下部存在較多氣孔；從母材到焊縫，硬度總體呈下降趨勢；受αs含量變化的影響，隨著離焊縫距離的減小，熱影響區顯微硬度先降低、再升高、然后再次降低；由于焊縫硬度最低且存在氣孔缺陷，接頭拉伸斷裂在焊縫。

關鍵詞： 激光焊；微觀組織；力學性能；TC17鈦合金

中圖分類號： TG 456.7

Microstructure and Mechanical Properties of TC17 Titanium Alloy Laser Welded Joint

Zhang Qunbing1， Dong Tuo1， Tan Mengmeng1， Men Haoxiang1， Zhang Jianxun2

（1. Xian Aeronautical Institute， Xian， 710077， China; 2. State key laboratory for mechanical behavior of materials， Xian Jiaotong University， Xian， 710049， China）

Abstract： In this paper， the laser welding of TC17 titanium alloy was carried out， and the macroscopic morphology， microstructure， microhardness and tensile properties of the joint were studied. The results show that TC17 titanium alloy base material is composed of β phase and equiaxed αp phase， and there is a lot of acicular secondary αs phase in β phase. The microstructure of heataffected zone is complicated. With the decrease of distance from the weld zone， αp gradually decreases， β gradually increases， αs first disappears， then occurs， and finally disappears again. The microstructure of weld zone is mainly composed of columnar dendrites， and the porosity defects were mainly concentrated in the middle and lower part of the weld zone. From the base metal to the weld zone， hardness generally decreased. Affected by the αs phase， the microhardness of the heataffected zone decreases first， then increases and then decreases. Due to the lowest hardness and porosity defects of weld zone， the tensile fracture of TC17 titanium alloy laser welded joint was in the weld zone.

基金項目： 陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2019JQ-915）

Key words： ?laser welding; microstructure; mechanical property; TC17 titanium alloy

0前言

鈦合金具有比強度高、力學性能好、耐腐蝕性強等優點，已廣泛應用于航空領域。TC17是α＋β雙相鈦合金，具有強度高、韌性好、淬透性高、疲勞蠕變性能好等優點，廣泛應用于航空發動機風扇、整體葉盤、鼓筒等部件［1-2］。為進一步減輕飛行器重量，越來越多的材料采用焊接的方式連接［3-4］。

目前，有關TC17的焊接主要集中在電子束焊、TIG焊，以及TC17與異種金屬的線性摩擦焊［5-7］。Liu等人［8］對TC17進行了電子束焊接，發現焊縫由等軸和柱狀β晶粒組成，熱影響區由β晶粒和偽α相組成。于冰冰等人［9］研究了熱處理溫度對TC17電子束焊接接頭微觀組織的影響，發現在630～800 ℃范圍焊后熱處理，焊縫和熱影響區的亞穩態β相分解，生成α相和β相，隨著熱處理溫度的升高，焊縫和熱影響區的α相板條寬度增加。Liu等人［10］對TC17電子束焊接接頭焊縫的高周、超高周疲勞性能進行了研究，發現在高周疲勞狀態下疲勞裂紋萌生的主要原因是β晶粒的滑移變形導致在β晶界開裂產生裂紋，超高周疲勞狀態下裂紋萌生的主要原因是氣孔。金俊龍等人［11-13］對比研究TC17電子束焊和TIG焊，發現TIG焊縫較寬、熱影響區晶粒粗化，接頭塑性和延伸率均低于電子束焊。

電子束焊接有很多優勢，但是真空室的使用限制了構件的最大尺寸，同時降低了生產效率以及柔性加工能力。與電子束焊相比，激光焊同屬高能束焊接技術，具有能量密度高、熱影響區窄、焊接速度快、殘余應力小等優點［14-15］。同時，激光焊無需真空條件、柔性加工能力強、易于實現自動化，已經成為近年快速發展的高效焊接方法之一。文中采用激光焊接技術對TC17進行焊接，對TC17激光焊接接頭的微觀組織及力學性能進行探究。其研究結果可為TC17焊接接頭微觀組織的調控與應用提供有意義的參考。

1試驗材料及方法

試驗用母材為TC17鈦合金鍛件，化學成分如表1所示。首先將TC17鍛件切割成厚度為5 mm的板材，然后使用氫氟酸：硝酸：水=4：6：90（體積比）的清洗劑將試樣表面洗凈吹干。最后使用YLS-4000 型光纖激光器+YASKAWA機器人進行自動化焊接，焊接參數為：激光功率3.5 kW，焊接速度80 mm/ min，離焦量0 mm，保護氣體為高純氬氣。

焊接試驗完成后，按照ISO 4136：2022《金屬材料焊縫的破壞性試驗 橫向拉伸試驗》加工成拉伸試樣；采用UTM5305型電子萬能試驗機進行拉伸試驗；采用TMVS-1型顯微維氏硬度計進行顯微硬度測試；分別采用HIROX-200型超景深光學顯微鏡、JSM-6510A型掃描電子顯微鏡、JEM200CX形透射電子顯微鏡對接頭宏觀形貌、微觀組織和斷口形貌進行分析。

2結果與討論

2.1接頭宏觀形貌

TC17激光焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。可以看出母材色澤較暗、熱影響區和焊縫色澤較明亮；焊縫上部和下部較寬、中間較窄，整體形貌呈“X”形；焊縫的中下部存在氣孔。

造成母材、熱影響區和焊縫宏觀色澤差異的主要原因是，母材、熱影響區和焊縫的微觀組織存在差異，耐腐蝕性能不同，在文中所用的金相腐蝕液（HF：HNO3：H2O=5：15：80（體積比））中，母材容易被腐蝕，焊縫較難被腐蝕，為觀察焊縫形貌，腐蝕時間較長（3 ?min），因此母材被腐蝕程度較為嚴重，導致其宏觀色澤較暗。同時TC17激光焊接接頭的微觀組織，如圖2所示，從圖中可以看出母材晶粒尺寸較小（約4 μm）、焊縫晶粒尺寸較大（約360 μm），導致母材的宏觀色澤更加暗淡。

如圖3所示造成焊縫X形形貌以及氣孔的主要原因是激光焊接過程中，會產生金屬蒸汽，當焊件被激光穿透時，金屬蒸汽體沿著匙孔從熔池的上部和下部同時向外噴出，帶動液態金屬在熔池的上部和下部分別形成Marangoni渦流，導致熔池上部和下部的寬度大于中間，從而形成X形焊縫［16-17］。在焊后冷卻過程中，熔池上部的液態金屬受到重力作用向下流動，將X形熔池中間狹窄的通道封閉，阻礙了熔池下部氣體的向上逃逸；又由于激光焊接速度快、熔池冷卻速度快，導致熔池下部的氣體被凝固在焊縫中，從而在焊縫的中下部形成了氣孔。

2.2接頭微觀組織

圖2是TC17激光焊接接頭的微觀組織。圖2上部是接頭不同區域組織觀察對應位置的示意圖。根據離焊縫距離的大小，將熱影響區的四個區域由遠到近四個區域分別命名為遠熱影響區、次遠熱影響區、次近熱影響區、近熱影響區，如圖2（a）所示。

如圖2（b）所示，TC17母材由β相+等軸αp相組成，平均晶粒尺寸約4 μm，β相內存在大量次生αs相；遠熱影響區離焊縫最遠、受熱最少，平均晶粒尺寸和母材基本相同，但是原先母材中的αs相大部分轉變為β相，然而由于在相變以上溫度保持時間較短，αs相并未全部轉變為β相，如圖2（c）所示；次遠熱影響區離焊縫距離較近、受熱量增加，平均晶粒尺寸增大至約5 μm，與此同時，由于在相變點以上保溫時間延長，αs相全部轉變為β相，如圖2（d）所示；次近熱影響區離焊縫距離更近，受熱量進一步增加，αs相全部轉變為β相，αp相大部分轉變為β相，平均晶粒尺寸增大至約6 μm，但是由于該區域高溫持續時間仍然不夠長，α穩定元素擴散不夠充分，導致β相某些區域的α相穩定元素含量較高，在焊后快速冷卻過程中，產生了αs相，如圖2（e）所示；近熱影響區離焊縫最近，受熱量最多，αs相全部轉變為β相，αp相基本全部轉變為β相，平均晶粒尺寸增大至約10 μm，由于該區域高溫持續時間較長，α相穩定元素擴散較為充分，在焊后冷卻過程中，沒有產生αs相，如圖2（f）所示；如圖2（g）所示，焊縫主要由β相柱狀晶組成，平均晶粒尺寸約為360 μm，柱狀晶內部為條狀枝晶。TC17富含Mo等β相穩定元素，當冷卻速度小于0.5 ?℃/s時可獲得全部α+β的片層組織；冷卻速度在0.5～3.5 ?℃/s之間時，可生成部分α+β片層組織；冷卻速度大于3.5 ℃/s時，不能生成α相。由于激光焊接能量密度高、焊接速度快，焊后冷卻速度遠大于3.5 ?℃/s，因此焊縫的組織為β相。與此同時，較快的冷卻速度在焊縫內形成了較大的溫度梯度，因此沿著散熱方向形成了柱狀晶。從晶粒尺寸的角度來看：母材≈遠熱影響區＜次遠熱影響區＜次近熱影響區＜近熱影響區＜焊縫。

圖4和圖5是母材和焊縫的透射電鏡組織。可以看出，母材主要由β相、αp相、次生αs相組成，β相內有大量次生αs相；焊縫的β相柱狀晶內部是條狀枝晶。

2.3接頭顯微硬度

TC17激光焊接接頭顯微硬度如圖6所示，TC17激光焊接接頭從母材到焊縫的顯微硬度整體呈下降趨勢。由圖2和圖4微觀組織分析已知，母材是β+α雙相組織，β相內含有大量次生αs相。經歷焊接熱循環后，熱影響區晶粒長大，αs相先消失、再產生、然后再次消失。焊縫的微觀組織是粗大的β相柱狀晶，晶內沒有αp相以及αs相。β相晶體結構是體心立方，較為容易變形，α相是密排六方結構，穩定性較好。從母材到焊縫，α相逐漸減少，β相逐漸增多，并且平均晶粒尺寸逐漸增大，在微觀組織和晶粒尺寸等因素的共同影響下，從母材到焊縫顯微硬度逐漸下降。與次遠熱影響區相比，次近熱影響區產生了αs相，因此硬度略有回升。 2.4接頭拉伸性能

圖6為焊接接頭拉伸試驗結果，從圖中可以看出試樣拉伸斷裂在焊縫。由圖6（a）可以看出斷面零散分布有焊接氣孔，圖6（b）表明斷口邊緣為解理狀斷面，圖6（c）表明斷口表面形貌為韌窩+氣孔。由前文焊接接頭各區域的微觀組織和顯微硬度可以看出，焊縫微觀組織為尺寸較大的柱狀β晶粒，硬度最低；與此同時，焊縫中存在氣孔缺陷，在一定程度上降低了焊縫的強度，從而導致接頭拉伸斷裂在焊縫。

3結論

（1）TC17鈦合金激光焊接接頭各區域的微觀組織存在較大差異：母材為β相+等軸αp相，β相內存在大量次生αs相；相較于母材，熱影響區αp和αs相減少、β相增多、平均晶粒尺寸增大；焊縫為粗大的β相柱狀晶。

（2）熱影響區組織變化較為復雜，隨著離焊縫距離的減小，β相內的αs相先消失、再產生、然后再次消失。這種變化導致隨著離焊縫距離的減小，熱影響區顯微硬度先降低、再升高、然后再次降低。

（3）焊縫的粗大β相柱狀晶組織以及氣孔缺陷，導致其硬度和強度最低，接頭拉伸斷裂在焊縫。

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收稿日期： 2023-11-23

張群兵簡介： 博士，講師；研究方向為金屬材料焊接與增材制造、缺陷修復與再制造;qunbing_zhang@126.com

通信作者： 張建勛，博士，教授，博士生導師；研究方向為金屬材料焊接與增材制造、缺陷修復與再制造;jxzhang@mail.xjtu.edu.cn。