鈦鋁金屬間化合物電子束焊接接頭組織及斷裂行為研究.pdf

1、鈦鋁合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能在航空、航天、軍事及民用領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的前景。世界各國材料研究工作者爭(zhēng)先開展此類金屬間化合物實(shí)用化技術(shù)的研究工作。近年來針對(duì)此類材料連接問題也成為焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本課題針對(duì)此類合金固相連接技術(shù)的局限性，研究了不同鋁含量的鈦鋁合金(主要是Ti3Al及TiAl)的電子束焊接接頭的組織特征及斷裂行為。 采用電子束焊接Ti3Al-Nb合金時(shí)，電子束焊縫外觀成形良好。在采用加速電壓55kV、聚焦電流2590m

2、A、焊速400mm/min、束流14mA的最佳焊接規(guī)范下，得到抗拉強(qiáng)度839MPa的焊接接頭，可達(dá)母材強(qiáng)度的92.7％。焊縫區(qū)斷口形貌顯示除局部地區(qū)有韌性特征外，大部分區(qū)域?yàn)槠鹪从诰Ы缁蛳嘟绲暮恿骰雍蜕刃位樱蚀嘈詳嗔?。Ti3Al-Nb合金電子束焊縫中主要是由B2相組成，并含有少量α2相，且不隨焊接線能量的變化而改變，焊接線能量只影響Ti3Al-Nb合金電子束焊接接頭晶胞形貌尺寸和位向。焊縫產(chǎn)生這種不同結(jié)晶形態(tài)的主導(dǎo)因素是焊縫中Nb

3、，Al元素不均衡性，匙孔渠道溫度梯度和結(jié)晶速度的差異。與母材相比，熱影響區(qū)和熔合區(qū)的硬度有顯著增加，具有明顯的不均勻性，并且HAZ的硬度顯著高于FZ區(qū)，焊縫中心區(qū)域的硬度在整個(gè)焊縫區(qū)最低。熱處理機(jī)制對(duì)焊縫組織形態(tài)有重要影響。1000℃熱處理后試樣的焊縫晶粒中為α2相和B2相相間的層片狀組織(魏氏組織)，650℃熱處理后試樣焊縫為B2相晶粒的基體中析出了少量小塊狀的α2相，兩種熱處理機(jī)制都會(huì)使接頭顯微硬度分布均勻性提高。 Ti3A

4、l接頭組織中α2相體積不同，焊縫中裂紋的萌生部位截然不同。等軸狀α2晶粒對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有一定的阻礙作用，裂紋大多數(shù)沿著等軸狀α2晶粒與基體B2相邊界擴(kuò)展(斷裂模式Ⅰ)。焊縫中初生α2相體積分?jǐn)?shù)低時(shí)，變形首先發(fā)生于晶粒粗大的B2相中，裂紋通常沿B2相解理面萌生，α2晶粒對(duì)裂紋的阻礙作用較小(斷裂模式Ⅱ)。 電子束焊接TiAl基合金易產(chǎn)生宏觀裂紋，對(duì)焊接規(guī)范較為敏感。在加速電壓55kV，焊接速度300mm/min、束流22mA、聚焦

5、電流2590mA焊接條件下，鑄態(tài)TiAl焊接接頭最高抗拉強(qiáng)度達(dá)224.3MPa，接近母材強(qiáng)度的62.27％，抗彎強(qiáng)度為521.4MPa，達(dá)母材強(qiáng)度76.87％。電子束焊接包套鍛處理TiAl接頭最高抗拉強(qiáng)度達(dá)328.7MPa接近母材強(qiáng)度的62.14％，接頭抗彎強(qiáng)度為542.9MPa，為母材強(qiáng)度的64.84％。 TiAl接頭焊縫主要為層片狀α2+γ和塊狀γm混合性織構(gòu)組織。焊接冷卻速度的提高，焊縫殘余α相(α2)會(huì)增多，且兩者近乎呈

6、線性關(guān)系。焊接過程中形成的α2相成為接頭裂紋開裂的主要組織因素。此外α2與γ相結(jié)構(gòu)上的差異以及由此產(chǎn)生的相變應(yīng)力，電子束對(duì)試件本身的熱沖擊產(chǎn)生熱致應(yīng)力，也是導(dǎo)致接頭區(qū)域裂紋敏感性的重要因素之一。 焊接特殊的熱循環(huán)特征，會(huì)使焊縫組織中片層組織形成后，在緩慢冷卻過程中發(fā)生不連續(xù)的粗化行為。同時(shí)建立了焊縫片層間距隨焊接冷卻速度，及基體母材Al含量變化的數(shù)學(xué)模型和層片狀組織長(zhǎng)大速率的數(shù)學(xué)模型。利用焊接熱模擬試驗(yàn)，分析了合金元素對(duì)TiAl

7、基合金電子束可焊性的影響規(guī)律，初步探討了夾層Nb箔，Ti箔間隙元素的引入對(duì)鈦鋁合金焊接性的影響，利用Ti層焊接鑄態(tài)TiAl合金接頭強(qiáng)度得到某種程度的改善。分析了焊后熱處理對(duì)組織形態(tài)及晶粒細(xì)化作用，發(fā)現(xiàn)采用1200℃+2h熱處理規(guī)范時(shí)，焊縫晶粒相比于母材晶粒細(xì)化程度較高。 采用動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，研究了TiAl接頭的斷裂行為。TiAl焊縫缺口前端萌生微裂紋，微裂紋易在平行于層片方向形核，裂紋進(jìn)行跳躍式擴(kuò)展。TiAl接頭中片層組織位向?qū)α?/p>

8、紋擴(kuò)展有重要影響。當(dāng)裂紋平行于片層時(shí)裂紋較易擴(kuò)展，當(dāng)裂紋近似垂直于片層，裂紋有較強(qiáng)止裂傾向。從裂紋偏轉(zhuǎn)和裂尖鈍化機(jī)理，剪切帶韌化機(jī)理以及裂紋擴(kuò)展的曲折路徑分析了接頭裂紋的屏蔽效應(yīng)。焊縫與母材相比斷口呈現(xiàn)出不同的特征，由于母材晶粒粗大，解理面較為平坦。焊縫區(qū)域產(chǎn)生的更多層片組織使其斷裂易沿層或穿層或其混合方式斷裂。 在綜合考慮到電子束深熔焊接時(shí)釘形焊縫形狀，依據(jù)熔池和匙孔對(duì)能量吸收和再分布的影響，針對(duì)鈦鋁合金電子束焊接建立了一種高