鈦合金電子束焊接接頭顯微組織及疲勞性能研究.pdf

1、鈦合金具有低密度、高強度、良好的可焊性等優(yōu)點而常被作為結構材料在航空工業(yè)上得到廣泛的應用。焊接是結構材料最常用的連接方式之一,焊接接頭的疲勞性能是一個重要的評價指標。由于電子束焊接是一個快速加熱和凝固的非平衡加工過程,因此焊接接頭的形狀及其內部微觀組織特點與變化對接頭疲勞性能影響的研究對優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、評價并提高接頭疲勞性能有重要的意義和參考價值。
　　本試驗研究TC4和A15兩種鈦合金厚板電子束焊接接頭的微觀組織特點并對焊接接

2、頭組織不均勻性提出了組織梯度模型這種新的表征方法;采用分區(qū)、分層方式研究了焊接接頭的組織梯度對疲勞壽命尤其是疲勞裂紋擴展速率的影響。利用透射電子顯微鏡(TEM)分析了TC4焊接接頭不同區(qū)域的疲勞裂紋尖端微觀組織形態(tài)。探討了在兩種鈦合金焊接接頭的宏觀織構與納米壓痕法測得的彈性模量以及它們之間的關系。利用EBSD技術,首次研究了TC4焊接接頭熱影響區(qū)和熔凝區(qū)內的晶體取向及其對疲勞裂紋擴展路徑的影響。主要結論如下:
　　TC4和TA15

3、焊縫熔合線附近的線掃描結果顯示出兩種鈦合金焊縫熔合線附近成分分布變化較小,合金元素燒損較少且分布較均勻。兩種鈦合金電子束焊接接頭熔凝區(qū)顯微組織主要為α'馬氏體,TC4熔凝區(qū)的TEM觀察表明僅存在極少量的β相。采用組織梯度模型計算表明TC4厚板的漏斗形、釘形、鐘罩形和楔形四種形狀焊接接頭中,鐘罩形焊縫的顯微硬度梯度低于其他三種形狀的焊縫,熱影響區(qū)的顯微硬度梯度均明顯高于母材和熔凝區(qū)。不同厚度處的顯微硬度梯度不同,5/6厚度處的顯微硬度梯度

4、高于3/6和1/6厚度處。由焊縫根部至表面,柱狀晶長度縱向變化梯度增大。鐘罩形焊縫的柱狀晶長度縱向變化梯度值在四種焊縫形狀中最低,這表明鐘罩形焊縫有最小的組織不均勻性。
　　組織梯度最低的鐘罩形接頭具有最高的平均疲勞壽命,而組織梯度較高的楔形接頭平均疲勞壽命最低。裂紋易萌生于焊縫中組織梯度較大的熱影響區(qū)或熔合線附近。組織梯度越大,疲勞裂紋擴展速率越高。相比于熔凝區(qū),熱影響區(qū)有更高的組織梯度因而有較高的裂紋擴展速率。疲勞斷口的SEM

5、圖中顯示了熔凝區(qū)的疲勞輝紋間距較熱影響區(qū)的更細小。由于接近焊縫根部處的熔凝區(qū)比接近頂部的有較高組織梯度,因此5/6厚度處的熔凝區(qū)比1/6厚度處有更大的疲勞裂紋擴展速率。而不同厚度處的熱影響區(qū)組織梯度區(qū)別不大,因此它們的疲勞裂紋擴展速率未見明顯差異。
　　在TC4母材的疲勞裂紋尖端,較粗大的等軸狀初生α晶內位錯較多。位錯易在α/β和α/α界面處產(chǎn)生排列和塞積,此處容易產(chǎn)生疲勞裂紋。在熔凝區(qū)疲勞裂紋端部位錯集聚在馬氏體板條間,形成高密

6、度的位錯網(wǎng)。在裂紋端部及裂紋邊緣的周圍均產(chǎn)生一定的微觀塑性變形,形成了較大的微觀塑性變形區(qū)。夾雜在較寬馬氏體板條間的細馬氏體板條阻礙了位錯的運動與傳播,使得應力在此集中導致板條被剪切破斷。在熱影響區(qū),等軸初生α晶和馬氏體的力學性能和變形方式不匹配,導致位錯在相界處塞積。微觀塑性變形主要集中于等軸初生α晶內,微觀組織上的非均勻性導致了微觀塑性變形有一定的選擇性。
　　TC4和TA15母材中分別存在較強的{0001}<1010>和{0

7、001}<2110>型基面織構。在TC4焊接接頭熔凝區(qū)只存在很弱的{1123}<1122>織構,在TA15焊接接頭熔凝區(qū)存在很弱的{0111}<2110>和{0112}<1212>織構,熔凝區(qū)晶粒取向宏觀上接近于隨機分布。納米壓痕法測試兩種鈦合金母材、熱影響區(qū)和熔凝區(qū)六方相的彈性模量,母材中存在的{0001}基面織構使得母材的平均壓痕彈性模量最高。而在平行于RD的恒應力疲勞拉伸載荷下,焊接接頭彈性模量的變化將加劇熱影響區(qū)塑性變形的不協(xié)調

8、性,降低疲勞性能。
　　熱影響區(qū)疲勞裂紋擴展路徑上,{1010}<1210>柱面滑移系的Schmid因子較高,有利于臨界分切應力較低的柱面滑移系開動。{0001}<1120>基面滑移系Schmid因子盡管接近于柱面滑移系,但其臨界分切應力較高而難以開動。熱影響區(qū)疲勞裂紋在取向相差不大的粗大晶粒內擴展路徑相對較為平直。熔凝區(qū)細片狀的α'馬氏體在初生β晶內形成并相互交織,馬氏體片間主要為大角晶界,馬氏體片(束)間取向差別較大。熔凝區(qū)疲