文章编号：1004-0609(2013)S1-s0174-05
Ti60/TC17钛合金异材电子束焊接头的显微组织及显微硬度分布特征
于冰冰1，陈志勇1，王清江1，刘建荣1，李晋炜2
(1. 中国科学院 金属研究所，沈阳 110016；
2. 北京航空制造工程研究所，北京 100024)
摘 要：研究TC17和Ti60异材钛合金电子束焊接接头的显微组织和显微硬度分布特征。结果表明：异材焊接接头的显微组织呈不均匀分布，焊接接头熔合区中由大量针状α′相，少量α相和β相组成，Ti60的热影响区在焊接过程中发生了马氏体转变，由针状的α′相+等轴α相和少量β相组成；TC17的热影响区由针状α′相、等轴α相和亚稳β相组成。组织的不均匀分布导致焊接接头显微硬度分布不均匀，熔合区中的硬度最高， TC17的中热影响区中硬度最低。
关键词：Ti60钛合金；TC17钛合金；异材电子束焊接；显微组织；显微硬度
中图分类号：TG146.2+3 文献标志码：A
Characteristics of microstructure and microhardness of Ti60/TC17 dissimilar joint welded by electron beam welding
YU Bing-bing1, CHEN Zhi-yong1, WANG Qing-jiang1, LIU Jian-rong1, LI Jin-wei2
(1. Institute of Metal Research, The Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
2. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)
Abstract: The microstructure and microhardness of dissimilar joint of a near α titanium alloy Ti60 and a β-rich, α+β titanium alloy TC17 were studied using electron beam welding technique. The results show that the microstructure is not uniform in different regions of the joint. The fusion zone is constituted of great amount of acicular α′ phase, small amount of α phase and retained β phase. Martensitic transmission occurs in the heat-affected zone (HAZ) of Ti60 alloy, so the HAZ of Ti60 alloy is constituted of acicular α′ phase, equiaxial α phase and samll amount of β phase. The HAZ of TC17 titanium alloy is constituted of acicular α′ phase, equiaxial α phase and metastable β phase. The microhardness of the joint distributes unevenly due to gradual microstructure of the joint. The microhardness of fusion zone (FZ) is the highest and the microhardness of the middle HAZ of TC17 is the lowest.
Key words: Ti60 titanium alloy; TC17 titanium alloy; dissimilar electron beam welding; microstructure; micro-hardness
钛合金具有优异的物理力学性能，如密度低、强度高、抗腐蚀性能好和超塑性突出等，在航空航天领域得到了广泛的应用。钛合金在航空发动机上主要应用于轮盘、鼓筒及叶片等零件，以减轻发动机的质量，提高发动机的推重比，达到改善发动机性能的目的。Ti60钛合金是一种近α型高温钛合金, 长时服役温度可达到600 ℃。该合金具有优良的综合力学性能，尤其是具有优异的蠕变和疲劳性能[1]。TCl7钛合金是一种富β稳定元素的亚稳β型(过渡型)两相钛合金，该合金强度高、断裂韧性好、淬透性好和锻造温度范围宽，能满足损伤容限设计的需要和高结构效益、高可靠性及低制造成本的要求，最高工作温度为427 ℃[2]。
根据TC17和Ti60钛合金的性能和服役温度特点，两种钛合金主要用于我国高性能航空发动机不同温度区域的轮盘部件，轮盘之间的连接拟采用电子束焊接的方式加以连接，达到减轻质量的目的。目前国内外文献中关于此两种钛合金之间的异材焊接工艺、焊接接头组织特征及其力学性能的研究还未见报道。因此，较系统地研究异材焊接接头的组织特征及其演化情况，同时研究异材焊接接头力学性能的影响因素，可为以上两种材料的工程化应用提供必要的理论和实验指导。
1 实验
实验材料为Ti60和TC17钛合金锻件，两种钛合金的化学成分见表1。图1所示为两种合金焊前的显微组织。由图1可以看出，Ti60和TC17钛合金的母材均为等轴α相和β相组成的双态组织，TC17钛合金的组织比Ti60钛合金的组织细小得多。
表1 Ti60和TC17钛合金的化学成分
Table 1 Chemical composition of Ti60 and TC17 titanium alloys
图1 母材的显微组织
Fig. 1 Macrostructures of base metal
在锻件上切取厚度为10 mm的试板进行电子束焊接实验，电子束焊接采用国产高压真空电子束焊机，型号为ZD150-15C，其最大加速电压为150 kV、最大焊接电流为200 mA、真空室容积为81 m3。焊接前去除表面污物，焊后取截面进行磨、抛、腐蚀，观察焊缝的形貌。
2 结果与讨论
2.1 焊接接头的元素分布
对焊态条件的焊接接头进行电子探针扫描分析，结果如图2所示。由图2可以看出，焊接接头熔合区中主要合金元素成分介于两侧母材的成分范围之间，且整个熔合区内成分呈均匀分布。
2.2 焊接接头的低倍组织
焊态条件下的Ti60/TC17钛合金异材电子束焊接接头低倍组织如图3所示。由图3可见，焊接接头由熔合区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)组成。焊接接头熔合区的宏观形态呈“螺钉”形。焊缝熔合区组织由柱状晶(Columnar zone)和少量的等轴晶组成。熔合区的柱状晶以靠近焊缝熔池边缘呈半熔化状态的β晶粒作为晶核形核，并以“外延结晶”方式逆向散热最快的方向“竞争”生长[3]，柱状晶的生长一般终止于熔合区的中心线处。
图2 焊态焊接接头的成分分布
Fig. 2 Corresponding composition distribution across welding joint
图3 焊接接头的宏观组织
Fig. 3 Macrostructure in cross section of welding joint
2.3 焊接接头的显微组织特征
异材焊接接头的热影响区与同材焊接接头最大的不同在于两侧的母材化学成分和显微组织存在较大差异，两种合金的热影响区显微组织见图4。由图4可以看出，Ti60合金焊缝热影响区为由针状的α′马氏体相+等轴α相+β相组成的混合组织，这是由于在焊接热循环过程中，距离熔合区较远的热影响区边部和中部热循环峰值温度相对较低，焊接过程中等轴α相不能完全溶解，在焊接快冷过程中，会发生由β相到α′马氏体相的转变[4]；熔合区附近的热影响区由于焊接热循环过程中在β相区停留时间较长，母材中的等轴α相可以充分溶解为β相，在随后的冷却过程中全部转变为针状的α′马氏体相(见图4(c))；TC17合金一侧的热影响区在距离母材较近的远热影响区中未观察到明显的次生α相，为等轴α相+亚稳β相组织；随着离熔合区距离的减小，还可以观察到等轴α相边缘开始逐步溶解，此区域组织为等轴α相+少量针状α′相+亚稳β相组织；在靠近熔合区的近热影响区中，等轴α相基本完全溶解，此区域组织为大量针状α′相+亚稳β相组织。
图4 不同合金热影响区的显微组织
Fig. 4 Microstructures of HAZ of different alloys
焊接接头熔合区的柱状晶内部组织极细，在金相显微镜下无法观察到组织细节。对熔合区进行XRD (见图5)分析发现，熔合区中主要由α相和β相组成，α相和α′相的峰几乎是重合的，无法区别α相和α′相。通过进一步的透射电镜观察可以看出，柱状晶内部组织为细小的针状组织，相邻的针状组织之间呈杂乱排列，对针状组织区域进行选区电子衍射(见图6)可知，针状组织为α相或α′相，针状板条之间为β相，透射电镜下观察到的针状组织形貌和文献[6-7]中报道的α′相的形貌相似，因此可以推断，熔合区中以针状α′相为主，另含有少量的α相和β相的混合组织。
图5 焊缝熔合区的XRD谱
Fig. 5 XRD pattern of FZ of welding seam
图6 焊态条件下焊缝熔合区透射照片和选区电子衍射斑点
Fig. 6 TEM images of fusion zone (a) and selected area electron diffraction (b)
2.4 焊接接头的硬度分布
图7所示为焊接接头从一侧母材到另一侧母材的显微硬度分布。由图7可知，在焊态条件下，焊接接头的显微硬度呈“马鞍”状分布，熔合区硬度最高，硬度在400~420HV之间；从Ti60合金一侧的母材区开始，随着离熔合区距离的减小，硬度逐渐升高，这是因为熔合区中分布着大量的马氏体α′相，该组织的特点是硬度和强度高，但塑性差[6, 8-9]。TC17合金一侧的热影响区的显微硬度呈“V”字形分布，热影响区中部的显微硬度最低，约为310HV，这是因为焊前该区域母材中弥散分布的次生α相在焊接热循环过程中全部溶解转变为β相，然后在冷却过程中亚稳β相可以保存到室温而不发生分解(见图4(d))，最终该区域组织中由等轴α相和较软的β相[10]组成。
图7 焊接接头横截面的显微硬度分布
Fig. 7 Microhardness distribution of cross section of welding joint
3 结论
1) TC17与Ti60钛合金可以通过电子束的方法进行连接，焊接接头成分分布均匀，焊缝质量良好。
2) 焊缝熔合区由马氏体α′相、α相和β相组成，Ti60合金一侧的热影响区由针状马氏体α′相、等轴α相和β相组成；TC17一侧靠近母材区的组织为未溶 解的等轴α相和亚稳β相构成，靠近熔合区的热影响区中主要由针状α′相+亚稳β相组成。
3) 异材焊接接头的显微硬度呈不均匀分布，熔合区的显微硬度最高，Ti60合金一侧的热影响区到母材区硬度值逐渐下降， TC17合金一侧的热影响区，由于次生α相的溶解，热影响区中部出现硬度的最低 值。
REFERENCES
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(编辑 陈卫萍)
基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(2013020055)
收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10
通信作者：王清江，研究员；电话：024-83978830；E-mail: qjwang@imr.ac.cn
