摘要：采用激光焊焊接Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)β鈦合金，研究熱處理對接頭顯微組織和拉伸性能的影響。由于激光焊接的冷卻速率可達553 K/s，遠大于β相向其他物相轉變的臨界冷卻速率，所以焊縫顯微組織由柱狀晶形態的單一β相構成。在近熱影響區，初生α相和次生α相均轉變為β相，且β相晶粒尺寸增大;在遠熱影響區，尺寸較大的初生α相得以保留。780 ℃/1 h/WQ熱處理后，焊縫中生成厚度約為150～350 nm、長度約為1～3 μm短棒狀α相，焊接頭強度和延伸率有所提高;780 ℃/1 h/WQ+500 ℃/6 h/FC熱處理后，焊縫中生成厚度約為30～40 nm，長度約為150～300 nm的α相，接頭強度進一步提高，但斷裂發生在彈性變形階段。
關鍵詞：激光焊接;β鈦合金;熱處理;組織性能
0 前言
鈦合金憑借其比強度高、耐腐蝕和抗氧化性能優良等優點在航空航天領域應用廣泛。近年來，含有較多β相穩定元素(如Mo、V、Fe)的β鈦合金越來越受到重視[1-2]。目前國際上的β鈦合金主要有BT22、Timetal555等，國內的Ti-1300、TB8等β鈦合金也逐漸走出實驗室，走向實際應用。
在生產制造復雜結構件的過程中不可避免的會涉及到焊接工藝，高效可靠的焊接工藝對推進β鈦合金在航空航天領域的應用具有積極意義。目前，針對β鈦合金的相關研究主要集中在材料的成分設計、工藝優化等方面[3-5]，β鈦合金焊接方面的研究則相對滯后。Zhenglong Lei等[6]研究了TB8合金激光掃描焊接接頭顯微組織特征，并對比了不同焊后熱處理制度下的組織和性能演變規律。焊縫在未熱處理狀態下其顯微組織僅由單一β相構成，在550 ℃/1 h/空冷熱處理后接頭具有最佳室溫和高溫拉伸性能。馬權等人[7]研究了熱處理對Ti-1300β鈦合金電子束焊接接頭組織和性能的影響規律。結果果發現，焊縫物相主要由β相構成，α相的生成數量極少，焊前熱處理對接頭物相、性能的影響不大，焊后熱處理過程中有α相生成，通過調整熱處理參數可調節α相的數量、尺寸等，獲得不同的拉伸性能。
文中針對Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)β鈦合金的激光焊接特性進行研究，探索不同熱處理參數對接頭組織和性能的影響規律，對該合金的開發完善以及后續焊接工藝的制定具有參考作用。
1 實驗材料及方法
實驗所采用的β鈦合金Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)為鍛材。采用線切割方法制備成厚2 mm的薄片。焊接實驗前采用磨床加工除掉樣品表面線切割痕跡，經過酸洗、干燥后進行焊接。
激光焊接示意如圖1所示，具體工藝參數為：激光功率1 200 W，焊接速度1.0 m/min，離焦量0 mm，正面保護氣流量15 L/min，背面保護氣流量5 L/min。考慮到焊縫區域主要由β相構成，選取焊后熱處理參數如表1所示，通過HT1固溶處理和HT2固溶時效處理后能夠獲得不同尺寸、數量的α相，從而對比研究兩種熱處理參數下顯微組織和性能的變化規律。
金相試樣和拉伸試樣均沿垂直于焊縫方向取樣。金相試樣在打磨拋光后采用Kroll試劑腐蝕，其具體比例為60%H2O+35%HNO3+5%HF。顯微組織分析分別在掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)上進行，其具體型號分別為FEI Inspect F50、JSM-7800和FEI Tecnai G2 F20。在Oxford Instrumens C-nano上進行EBSD分析。在WD-5型電子萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸實驗。
2 分析與討論
2.1 接頭焊態組織分析
Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金激光焊接接頭形貌的EBSD分析結果如圖2所示。可以看出，焊縫由柱狀晶形態的β相構成，其形成原因是：激光焊接能量集中，在熔池中會形成較大的溫度梯度，β相晶粒沿著溫度梯度最大的方向生長，最終形成柱狀晶。在焊縫區域未見α相生成。當β鈦合金中Mo當量達到或超過10%時，可以獲得100%的β相[8]。Mo當量計算公式為[9]：
根據式(1)計算出Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金的Mo當量為10%。已有研究結果顯示，在β鈦合金中，當冷卻速率大于3 ℃/s時，可以有效抑制β相向其他物相轉變，進而得到100%的β相組織[10]。激光焊接的冷卻速率可以利用式(2)定性計算[11]：
式中 k為熱導率;ρ為密度;Cp為比熱容;V為焊接速度;t為被焊板材厚度;q為激光功率，吸收系數為0.7;T為熔點;T0為室溫，取25 ℃。計算涉及的部分熱物理參數來自Ti-55531合金的相關參數[12]，如表2所示。據此計算出的冷卻速率約為553 K/s，遠大于形成單一β相所需的臨界冷卻速率，因此激光焊接焊縫物相為單一β相。
熱影響區形貌EBSD分析結果如圖3所示。可以看出，母材的晶界類型以2°～15°的小角晶界為主，而熱影響區以15°～180°的大角晶界為主。小角晶界是在母材制備過程中由于位錯運動形成的，在塑性加工的合金中較為常見;在熱影響區，由于受到激光熱源的熱作用發生晶粒的回復和再結晶過程，位錯密度大大降低;靠近焊縫的區域受到熱作用最為明顯，晶粒尺寸會進一步長大。與此同時，熱影響區中α相的數量減少，越靠近焊縫的區域，α相的數量越少。
2.2 熱處理對顯微組織的影響
母材原始顯微組織和熱處理后的顯微組織如圖4所示。母材的原始組織如圖4a所示，由基體β相、橢球狀的初生α相以及細小的片層狀次生α相構成。初生α相的形成溫度一般略低于β相轉變溫度，而次生α相的形成溫度一般在400～600 ℃之間。HT1熱處理后，其顯微組織如圖4b所示，次生α相的數量顯著減少，α相形態為短棒狀。而經過HT2熱處理后，其顯微組織如圖4c所示，細小且彌散分布的α相析出，尺寸較母材原始組織更加細小。
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