TC4钛合金EBW和TIG焊接头断裂韧性对比分析.pdf
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1、TC4 钛合金 EBW 和 TIG 焊接头断裂韧性对比分析王东坡1,张子璇1,高文斌2,邓彩艳1,梁行1,王婷3(1.天津大学,天津,300072;2.江苏科技大学,镇江,212100;3.沈阳中钛装备制造有限公司,沈阳,110206)摘要:采用电子束焊和氩弧焊方法制备的 TC4 钛合金接头,在 4 种温度条件下,测试了其焊缝、热影响区及母材的断裂韧性,并结合断口形貌、硬度分布及微观组织对比分析了断裂韧性测试结果.结果表明,TC4 钛合金 TIG 焊接头焊缝及热影响区的断裂韧性优于钛合金母材,CTOD 值随温度下降而降低;相较之下,EBW 焊接头焊缝断裂韧性值较母材更低,热影响区断裂韧性与母材
2、较接近,温度变化对其 CTOD 值无显著影响.钛合金 TIG 焊接头焊缝区域具有较低硬度值,其网篮状 相和较低比例的马氏体分布是其断裂韧性较高的根本原因;而钛合金 EBW 焊接头焊缝中针状马氏体的分布导致其局部硬度较高,并降低了断裂韧性.创新点:(1)对比了高屈强比 TC4 钛合金 EBW 焊和 TIG 焊接头断裂韧性 CTOD 特征值.(2)阐明了 TC4 钛合金 EBW 焊和 TIG 焊接头断裂韧性差异的内在机理.关键词:TC4 钛合金;断裂韧性;电子束焊;钨极氩弧焊中图分类号:TG407文献标识码:Adoi:10.12073/j.hjxb.202209210020序言钛合金密度低、比强度
3、高,具有良好的耐蚀性和优良的生物相容性1-2,在航空飞行器、万米潜深器以及能源装备等领域得到了广泛的应用1,3.为有效地满足结构部件的轻量化及服役安全需求,相关学者探究了 TC4 钛合金电子束焊(EBW)4、钨极氩弧焊(TIG)5及线性摩擦焊6等工艺,开展了微观组织分析,并测试了相关力学性能及疲劳性能7-11.Cheng 等人8针对一种新型近 钛合金 EBW接头开展了焊后热处理研究,发现退火态接头的多处颈缩和高应变速率敏感指数导致其拉伸性能显著降低;Long 等人9发现对于高强 Ti-55531 合金激光焊接头,焊后热处理使焊缝分布着更多细脆的相,进而显著提升了抗拉强度;杨武林和许良等人10-
4、11针对 TC4 钛合金接头疲劳性能开展了研究,发现 TC4 钛合金薄板激光焊接头疲劳强度在低应力水平时高于母材,在高应力水平时,其疲劳强度低于母材;同时,斜焊缝 TC4 激光焊接头疲劳强度显著高于直焊缝接头;对于 TC4 钛合金 EBW 焊接头,Fu 等人12开展了微观组织及疲劳性能研究,结果表明振荡电子束焊接头的疲劳性能优于普通电子束焊接头,在高应力水平时疲劳强度可与TC4 母材疲劳强度接近;对于高速列车用钛合金焊接构架,习文顺等人3基于线性累积损伤评估认为,在相同级别载荷作用下 TIG 焊 TC4 钛合金构架疲劳寿命可达到 S355 耐候钢的 2 倍.可以看出,钛合金焊接接头微观组织、力
5、学性能和疲劳性能得到了充分关注,现有焊接工艺已能实现钛合金连接.然而对于钛合金结构安全服役而言,钛合金接头韧性是至关重要的性能指标,尤其断裂韧性,其反映着含裂纹钛合金接头在载荷作用下抵抗断裂的能力.针对 TC4 钛合金较为常见的 EBW 焊和 TIG焊接头焊缝、热影响区和母材,开展了系统的断裂韧性测试;采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)分析技术对比分析了两种接头不同区域微观组织与断裂韧性值的对应关系,为改善焊缝韧性、调控 TC4 焊接接头微观组织奠定了基础.1试验方法试验所用材料为商用 TC4 钛合金,力学性能如收稿日期:20220921基金项目:国家
6、自然科学基金资助项目(51875402);江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20201000).第44卷第8期2 0 2 3 年 8 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(8):07 13August 2023表 1 所示.针对 TC4 钛合金焊接接头开展断裂韧性 CTOD 测试,采用 EBW 焊和 TIG 焊两种焊接工艺制备了钛合金焊接接头.其中真空电子束焊平板对接接头母材试板尺寸为 300 mm 200 mm 20 mm,采用扫描式焊接;氩弧焊所采用的单侧母材试板尺寸为 300 mm 150 mm 20 m
7、m,预先制备 X 形坡口对接焊,坡口夹角 90,填充焊丝材料采用 ERTi-9,力学性能见表 1,直径 1.2 mm,保护气体为 99.99%氩气,两种焊接方法所用工艺参数分别如表 2 和表 3 所示.表 1 TC4 钛合金板材及填充焊丝的力学性能Table 1 Mechanical properties of TC4 titanium alloyplate and filled wire 材料屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)弹性模量E/GPa泊松比TC48829199.61200.3ERTi-955074214.51100.3 表 2 电子束焊工艺参数Table
8、2 EBW welding parameters 电压U/kV聚焦电流Ia/mA电子束流Ib/mA焊接速度v/(mmmin1)602 37026500 表 3 氩弧焊工艺参数Table 3 TIG welding parameters 电弧电压U/V焊接电流I/A焊接速度v/(mmmin1)送丝速度vs/(mmmin1)层间温度T/9.820010090050 采用Kroll 试剂(HFHNO3H2O=35100)对两种TC4 钛合金接头进行腐蚀,使用ZEISS Smartzoom5显微镜对接头横截面形貌进行观察,如图 1 所示,两种接头的焊缝质量良好,无焊接缺陷.选取两种接头焊缝、热影响区和
9、母材为测试对象,根据 ISO121352021 标准开展了 20,0,20,40 环境下的 CTOD 断裂韧性试验13.测试采用三点弯曲标准试样,焊缝及母材试样缺口方向为贯穿厚度,试样尺寸如图 2a 所示;热影响区试样缺口方向为表面缺口,试样尺寸如图 2b 所示.试验计算CTOD 值(c),每个区域测试 3 个样品,计算式为c=(SW)F(B2W)0.5g1(a0W)21v2mRp0.2E+0.43(W a0)0.43W+0.57a0Vp(1)式中:S 为跨距;F 为最大载荷;B 为试样厚度;W 为试样宽度;a0为原始裂纹长度;为泊松比;Rp0.2为屈服强度;E 为弹性模量;Vp为裂尖张开位移
10、中的塑性部分;g1是与 a/W 相关的计算量;m 和 是与材料屈强比相关的计算量.采用 HV-1000B(100 gf,加载 15 s)数字维氏硬度仪进行了硬度测试,测试位置如图 1 虚线所示.利用扫描电子显微镜(SEM,JSM-7800)观察了CTOD 试样断口形貌以判断断裂模式.(a)电子束焊接头(b)钨极氩弧焊接头L1L2L3L4L55 mm5 mm 图 1 两种接头横截面宏观形貌Fig.1 Cross-section macro-morphologies of two kindsof welded joints.(a)EBW;(b)TIG 51806060454576151818181
11、836180(a)贯穿厚度缺口试样尺寸(b)表面缺口试样尺寸 图 2 CTOD 试样尺寸(mm)Fig.2 Specimen size for CTOD measurement.(a)through-thickness notched specimen;(b)surface-notched specimen8焊 接 学 报第44卷2试验结果与分析 2.1 断裂韧性试验结果分析2.1.1 EBW 焊接头断裂韧性测试结果分析以 20 条件为例,图 3 展示了该温度下 TC4钛合金 EBW 焊接头不同区域位置 CTOD 试验载荷-位移曲线,相较于结构钢材 CTOD 测试结果14,钛合金试样在受力过程
12、中很快发生失效;韧性较好区域,试样的 CTOD 缺口张开位移上升.取 CTOD试件断口进行测量,根据 ISO121352021 有效性判定要求,试验的结果均有效,表 4 为钛合金 EBW焊接头各区域 CTOD 值计算结果.可以看到,对于钛合金 EBW 焊接头不同区域而言,CTOD 值随着温度下降变化较小,相较于钛合金母材,钛合金EBW 接头焊缝区域断裂韧性相对较低;而热影响区的 CTOD 值在 20 条件下相对较高,随着温度的降低,与 TC4 钛合金母材 CTOD 值相近.2.1.2 TIG 焊接头断裂韧性测试结果分析如图 3 所示,相较于钛合金母材,TIG 焊接头焊缝区和热影响区试样的 CT
13、OD 缺口张开位移更大.根据试件断口测量判定,测试结果均有效,各区域不同温度下的 CTOD 值计算结果如表 5 所示.可以看到,钛合金 TIG 焊接头不同区域的 CTOD 值随着温度下降波动性相对较大.在 4 种温度下,TIG 焊接头焊缝金属和热影响区的 CTOD 值均高于 TC4 钛合金母材的 CTOD 值;相较之下,钛合金TIG 焊接头焊缝的断裂韧性最佳.表 4 TC4 钛合金电子束焊接头 CTOD 值(mm)Table 4 CTOD of TC4 titanium alloy EBW joint 温度T/焊缝热影响区母材200.020.020.040.070.080.080.060.06
14、0.0600.020.030.030.040.040.050.070.040.04200.020.020.030.040.040.030.040.030.02400.030.020.020.050.040.030.040.030.04 表 5 TC4 钛合金氩弧焊接头 CTOD 值(mm)Table 5 CTOD of TC4 titanium alloy TIG joint 温度T/焊缝热影响区母材200.170.190.160.100.090.100.060.060.0600.210.070.210.130.090.050.070.040.04200.180.140.170.080.050
15、.050.040.030.02400.120.120.160.100.050.090.040.030.04 2.1.3 钛合金接头断裂韧性对比分析图 4 为 TC4 钛合金 EBW 焊和 TIG 焊接头不同区域、不同温度的 CTOD 测试结果对比.整体而言,TC4 钛合金 TIG 焊接头各区域的断裂韧性优于 EBW 焊接头,且优于 TC4 钛合金母材断裂韧性.在 4 种温度下,钛合金 TIG 焊接头焊缝金属的 CTOD 值高于 EBW 焊接头焊缝处测得的 CTOD值.氩弧焊焊缝金属位置测得的 CTOD 最高值可以超过 0.2 mm,电子束焊焊缝位置测得的 CTOD值最高仅为 0.04 mm.对
16、于钛合金接头热影响区而言,TIG 焊接头测得的 CTOD 值高于 EBW 焊接头热影响区的 CTOD 值,TIG 焊接头热影响区的 CTOD 值可达 0.13 mm,而EBW 焊接头热影响区 CTOD 值最高仅为 0.08 mm.20 条件下 TC4 钛合金母材、EBW 焊缝及TIG 焊缝 CTOD 试样裂纹扩展区断口如图 5 所示.电子束焊缝电子束焊热影响区母材氩弧焊焊缝氩弧焊热影响区0.230252015载荷 F/kN10500.40.60.8位移变化量 V/mm1.01.21.41.61.8 图 3 20 钛合金接头 CTOD 载荷-位移曲线Fig.3 Load-displacement
17、 curves for the titanium alloyEBW and TIG joint at 20 第8期王东坡,等:TC4 钛合金 EBW 和 TIG 焊接头断裂韧性对比分析9可以看到,相较于母材试样断口,TIG 焊缝 CTOD试样断口呈现更多的韧断特征,对应着更高的断裂韧性值;相同条件下,EBW 焊缝 CTOD 试样的典型断口较为平缓,脆断特征更为明显,对应于较低的断裂韧性值.2.2 钛合金接头硬度测试针对 TC4 钛合金 EBW 焊接头截面上部(L1)、中部(L2)、下部(L3)3 个位置以及 TIG 焊接头上部(L4)、中部(L5)进行了显微硬度测量,测试位置分布如图 1 所示
18、.硬度测试结果如图 6 所示,可以看到,TC4 钛合金 EBW 焊接头焊缝区域硬度值显著地高于母材;同时电子束焊接过程导致钛合金接头热影响区硬度出现一定程度的降低.由于 EBW 焊接头焊缝较为细长,热输入较小,焊缝和热影响区硬度变化分布范围随之较窄.与 EBW 焊接头硬度分布不同,TC4 钛合金 TIG焊接头焊缝区域硬度值显著低于母材硬度值,而其热影响区硬度值则与母材较为相近,如图 6b 所示.0.250.200.150.100.0520020试验温度 T/40裂纹尖端张开位移 c/mm氩弧焊热影响区电子束焊焊缝电子束焊热影响TC4 母材氩弧焊焊缝 图 4 钛合金接头 CTOD 值对比Fig.
19、4 Comparison of CTOD values for titanium alloyEBW and TIG joints(a)TC4 钛合金母材20 m(b)TC4 钛合金 EBW 焊缝(c)TC4 钛合金 TIG 焊缝20 m20 m 图 5 CTOD 试样断口形貌Fig.5 Crack-tip fracture morphologies of specimensafter CTOD tests.(a)base metal;(b)EBW weldseam;(c)TIG weld seam 380360340320显微硬度 H(HV)300L1L2L328038036034032030
20、0显微硬度 H(HV)280260240母材母材焊缝热影响区(a)EBW 焊接头区域区域(b)TIG 焊接头热影响区母材母材L4L5焊缝热影响区热影响区 图 6 两种钛合金接头显微硬度Fig.6 Microhardness of titanium alloy joints.(a)EBW;(b)TIG10焊 接 学 报第44卷 2.3 显微组织观察借助 OM 和 EBSD 技术,针对 TC4 钛合金母材及两种接头焊缝区域进行了显微组织观测(图 7).由图 7a 可见,所用 TC4 钛合金为少量等轴初生 相和层片状(+)相组成的双态组织,其中暗色区为晶间 相,分布均匀,可观察到含有 相的 相转变组
21、织,亮色区为 相,这种具有两相特征相结合的层片状组织有利于提高 TC4 钛合金母材的断裂韧性.如图 7a 所示,TC4 钛合金 EBW 接头焊缝区存在大量板条状 相以及细针状马氏体相;而 TIG 焊接头焊缝具有高比例贯穿生长的典型网篮状 相组织,相互交错分布.(a)金相组织图像(b)EBSD 反极图(c)EBSD 晶界分布图20 mTC4 母材EBW 焊缝TIG 焊缝 相片状 相针状马氏体网篮状 相初生 相20 mTC4 母材EBW 焊缝TIG 焊缝25 m50 m50 mTC4 母材EBW 焊缝TIG 焊缝50 m0001-12-1001-1025 m50 m20 m 图 7 TC4 钛合金
22、接头微观组织Fig.7 Microstructure of TC4 titanium alloy joints.(a)OM;(b)EBSD inverse pole figure maps;(c)grain boundarymisorientation distribution 图 7b 分别是 TC4 母材、EBW 以及 TIG 焊缝的 EBSD 反极图(IPF),可以看到,TC4 母材的晶粒尺寸最小,表现出柱状晶和等轴晶相结合的组织特征;由于凝固过程中过冷度较大,EBW 焊缝组织特征为典型的高长宽比枝晶以及细针状晶粒,晶粒尺寸较大;TIG 焊缝较 EBW 晶粒更为细小,在较小过冷度下形成了
23、相互贯穿生长的网篮状组织.针对TC4 母材、EBW 以及 TIG 焊缝晶界统计分布可见,TC4 母材、EBW 以及 TIG 大角度晶界占比分别是61.2%,89.1%和 96.4%,其中 TIG 焊试样具有最高的大角度晶界占比.3分析与讨论已有研究表明,金属材料及接头的韧性与组织形貌、晶粒尺寸、析出相等因素有关14.钛合金作第8期王东坡,等:TC4 钛合金 EBW 和 TIG 焊接头断裂韧性对比分析11为典型的高屈强比材料,其焊接接头断裂韧性更与微观组织形貌紧密相关.通过对 4 种温度条件下 CTOD 测试结果可知,TC4 钛合金断裂韧性值显著低于常用的低合金钢,这是由其 和 双相组织所决定的
24、;相较于低合金钢所包含的高韧性铁素体组织,TC4 钛合金 相与 相的断裂韧性较差,同等情况下,相和 相的形貌及排列方式进一步影响着钛合金及其接头局部区域的断裂韧性.对于电子束焊接头而言,由于受到高能束热源作用,焊缝区呈现为细针状柱状晶结构,显微硬度值随之升高,与母材显著不同.由于 EBW 焊熔池温度显著高于 相转变温度,随着焊缝金属快速冷却,初始高温 相未能转变为 相,而在晶粒内部发生了 相向与 相晶体结构相同的马氏体转变;如图 7a 所示,TC4 钛合金 EBW 焊缝组织主要由残存的高温 相晶粒和其中均匀分布的针状 相以及细长的针状马氏体所组成.尽管针状 相具有相对较好的韧性,可提高钛合金
25、EBW 焊缝的断裂韧性,但较高比例针状马氏体的存在严重恶化EBW 焊 缝 金 属 韧 性,进 而 导 致 其 CTOD 值 较TC4 母材有所降低.与 EBW 焊缝不同的是,TC4 钛合金 TIG 焊缝组织中的马氏体含量占比较少,进而焊缝区域硬度较母材有所降低.由于钛合金 TIG 焊缝冷却相对较慢,其中 相充分长大,进而变宽、变短,利于互相交错,并形成了韧性更佳的网篮状组织,如图 7c 所示.网篮状 相和更少的马氏体含量促使 TC4 钛合金焊缝在相同环境温度条件下韧性更佳.此外TIG 焊缝具有最高比例的大角度晶界,裂纹越过大角度晶界需要更大的驱动力,进而提高了 TIG 焊接头的断裂抗性.4结论
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