文章编号：1004-0609(2010)S1-s0730-04

铁元素对钛合金焊缝组织和性能的影响

蒋  鹏，刘希林，闫飞昊，宋德军

 (中国船舶重工集团公司，洛阳 471039)

摘  要：采用不同铁含量的焊丝进行焊接实验，并进行显微组织、硬度、拉伸、冲击、冷弯及耐海水腐蚀等一系列测试，研究铁元素对焊缝组织和性能的影响。结果表明：铁元素会在焊缝中形成片层状两相组织，该区域显微硬度高于基体的约100 HV。2%(质量分数)以下的铁元素不会在焊缝中形成TiFe相化合物，焊缝耐海水腐蚀性能优异，通过合理设计焊丝成分可以达到较好的焊缝性能匹配。

关键词：船用钛合金；焊缝；铁元素

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

Effect of Fe element on microstructure and properties of titanium alloy welding seam

JIANG Peng, LIU Xi-lin, YAN Fei-hao, SONG De-jun

 (Luoyang Ship Materials Research Institute, Luoyang 4710391, China)

Abstract: Some welding experiments were designed with different Fe contents of welding wire, and a series of tests on the microstructure, hardness, tensile, impact, cold bend, seawater corrosion resistance were carried out to study the effect of Fe element on the microstructure and properties of welding seam. The results show that the two-phase lamellar structure forms in the welling area, and the hardness of this area is about 100 HV higher than that of the base material. TiFe phase will not be formed at 2%(mass fraction) Fe; the welding seam shows an excellent corrosion resistance in seawater. Through a rational design of welding material, better performance of weld seam can be achieved.

Key words: marine titanium alloy; welding seam; Fe

铁是一种很好的β相稳定元素。在钛合金中加入一定量的铁，能够降低相变点，稳定β相，提高材料的冷热加工能力，在很多钛合金中得到了应用。比如航空用TB6(Ti10V2Fe3Al)合金中加入2%(质量分数)的铁，能够提高热成形能力，非常适合等温锻造和超塑成型工艺^[1-4]。铁元素在钛合金中可能会偏析而形成“β斑”，也可能形成TiFe相，降低材料的疲劳特性^[5]。Ti50(Ti1Al1.2Fe)合金中含有1.2%的铁元素，是一种近α相的低成本船用结构钛合金，其冷热成型性优异^[6-8]。船用钛合金的特点是焊接性要求高^[9]，但是在焊缝中，有关铁元素对焊缝组织和性能的影响的研究较少^[10]，本文作者针对Ti50合金研究了铁元素对于焊缝组织和性能的影响。

1  实验

采用手工TIG(钨极氩弧焊)焊接方法对Ti50合金20 mm板材进行焊接工艺试验，实验分别采用TA2(纯钛)、Ti0.8Fe0.6Al、Ti2Al和Ti2Fe这4种焊丝。采用金相显微镜观察焊缝的宏观组织，显微硬度仪测试焊缝及热影响区的50HV硬度，Quanta600扫描电镜分析焊缝组织和相成分组成，CM200透射电镜分析晶界、位错、TiFe相等缺陷和析出物，天然海水环境下进行焊缝腐蚀试验。

2  结果与讨论

2.1  金相组织

4种不同焊丝焊缝中心区域的金相组织如图1和图2所示。由图2可以看出：由于TA2和Ti2Al焊丝为α合金，焊缝中心为α单相组织；随着铁含量的增大，焊缝中心区域的片层状两相组织逐步增多；粗大的α+β两相片层组织只在焊缝中心区域产生。

图3所示为α+β片层组织的扫描电镜照片。对焊缝组织进行不同区域的显微硬度测定，结果见表1。

图1  不同焊丝焊接的焊缝组织

Fig.1  Microstructures of welding seam with different welding wires: (a) Ti2Al; (b) Ti0.8Fe0.6Al; (c) Ti2Fe

图2  Ti50合金20 mm板材焊缝中心组织

Fig.2  Microstructures of central welding seam of Ti50 plate with thickness of 20 mm: (a) TA2; (b) Ti2Al; (c) Ti0.8Fe0.6Al; (d) Ti2Fe

图3  焊缝中的片层状两相区组织

Fig.3  Lamellar structure of two-phase area of welding seam

表1  焊缝不同区域的显微硬度HV_{1 N}

Table 1  Microhardness (HV_{1 N}) of welding seam at different positions

可以看出：焊缝的硬度变化符合一般规律，即焊缝区硬度最高，其次为焊缝热影响区，母材硬度最低。值得注意的是，在焊缝区域中出现大量的α+β片层状组织，这种组织硬度较母材的组织硬度高HV100左右。

图4(a)所示为焊缝中较粗的β相的TEM像，其中分布着一定量的ω相，会对焊缝的脆性产生影响；图4(b)所示为β+ω相的衍射花样。在几种不同成分焊丝制备的焊接接头样品中没有发现TiFe相，说明2%的铁元素不会在焊缝中形成TiFe相化合物。

2.2 力学性能

不同焊丝的金属熔敷试验结果见表2。可以看出：铁元素对于强度的贡献最大，TA2焊丝的强度偏低。

表3所列为几种焊丝焊接Ti50板的焊缝力学性能试验结果。其中，25 mm板材焊后分别从上层和下层分别取样进行性能分析。综合焊丝熔敷实验和焊缝性能数据，焊丝的成分设计Ti0.8Fe0.6Al最优，一是合金成分系相同，避免因为成分不同造成的电位腐蚀倾向，二是接头塑性较好。

Ti50试板焊缝接头冲击试样的性能见表4。采用两种焊丝焊接的不同板厚焊缝的冲击韧性均良好。

表5所列为采用Ti0.8Fe0.6Al焊丝焊接的Ti50板

图4  焊缝中β相的TEM像及X射线衍射样

Fig.4  TEM images of β-phase in welding seam: (a) Coarser β phases; (b) Diffraction pattern of β+ω phases

表2  焊丝熔敷实验结果

Table 2  Results of overlay test of welding wire

材的焊接接头的冷弯值。可以看出：焊缝的冷弯性能良好。

2.3  耐蚀性

经过65 d天然海水腐蚀试验后，试样表面没有腐蚀坑。对试验前后的试样进行质量损失测量，计算可

表3  板材焊缝拉伸性能检验

Table 3  Results of tensile test of welding wire

表4  焊缝的冲击性能

Table 4  Impact property (A_kv) of welding seam

表5  焊接接头的冷弯性能

Table 5  Cold bending properties of welding joint

得Ti50合金在天然海水腐蚀环境下的腐蚀速率为2.51×10^{-4 mm/a}。

3  结论

1) 铁元素能够显著增强钛合金焊缝的强度，并在焊缝中形成显微硬度明显高于基体的片层状组织。

2) 当Ti50合金的焊接材料中铁的含量小于母材中铁的含量时，Ti0.8Fe0.6Al焊丝能够得到综合性能较好焊接接头。

3) Ti50合金焊缝的耐海水腐蚀性优异，达到2.51×10^{-4 mm/a}。

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(编辑 陈卫萍)

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