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先開展此類金屬間化合物實用化技術(shù)的研究工作。近年來針對此類材料連接問題也成為焊接領(lǐng)域的研究熱點。本課題針對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，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，得到抗拉強度839MPa的焊接接頭，可達母材強度的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)域為起源于晶界或相界的河流花樣和扇形花樣，呈脆性斷裂。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)域的硬度在整個焊縫區(qū)最低。熱處理機制對焊縫組織形態(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，兩種熱處理機制都會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晶粒對裂紋的擴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相邊界擴展(斷裂模式Ⅰ)。焊縫中初生α2相體積分數(shù)低時，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度達224.3MPa，接近母材強度的62.27％，抗彎強度為521.4MPa，達母材強度76.87％。電子束焊接包套鍛處理TiAl接頭最高抗拉強度達328.7MPa接近母材強度的62.14％，接頭抗彎強度為542.9MPa，為母材強度的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，電子束對試件本身的熱沖擊產(chǎn)生熱致應(yīng)力，也是導致接頭區(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)學模型和層片狀組織長大速率的數(shù)學模型。利用焊接熱模擬試驗，分析了合金元素對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合金接頭強度得到某種程度的改善。分析了焊后熱處理對組織形態(tài)及晶粒細化作用，發(fā)現(xiàn)采用1200℃+2h熱處理規(guī)范時，焊縫晶粒相比于母材晶粒細化程度較高。 采用動態(tài)拉伸試驗，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，裂紋進行跳躍式擴展。TiAl接頭中片層組織位向?qū)α?/p>

8、紋擴展有重要影響。當裂紋平行于片層時裂紋較易擴展，當裂紋近似垂直于片層，裂紋有較強止裂傾向。從裂紋偏轉(zhuǎn)和裂尖鈍化機理，剪切帶韌化機理以及裂紋擴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釘形焊縫形狀，依據(jù)熔池和匙孔對能量吸收和再分布的影響，針對鈦鋁合金電子束焊接建立了一種高