新型Ti-3Al-2Mo-2Zr(TA24)鈦合金板焊接及熱處理工藝研究

引言

新型Ti-3Al-2Mo-2Zr(TA24)合金是在工業(yè)純鈦基礎上添加2.0%～3.5%鋁、1.0～3.0%鋯、1.0%～2.5%鉬等合金元素，形成α為基，含有少量β相的近α合金。元素鋁和中性元素鋯在鈦中以置換固溶體形式存在，鉬除固溶于α相之外，余量與鈦形成少量β相［1］，通過合金元素固溶強化和少量β第二相強化，形成室溫和高溫強度高、韌塑性好、低溫高溫性能優(yōu)異，且具有良好加工性能的中等強度鈦合金，是近年開發(fā)用于海洋工程的潛在高性能材料。

鉬、鋯等耐蝕合金元素加入，在大幅提高鈦合金強度同時，使新型鈦合金具有優(yōu)良耐縫隙、應力和抗磨損腐蝕能力，成為具有較強潛力的化工、氯堿等耐蝕高溫場合應用結構材料。新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金開發(fā)成功以來，材料供應商對從合金鍛造、軋制、鑄造工藝及組織性能等方面開展了深入研究，形成鍛件、板材、管材、棒材等型材［2］，并配套相應焊接材料。隨著我國近年走向深藍海洋工程推進，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金作為焊接結構件及容器用材料開始推廣應用，但由于前期應用較少，材料加工、焊接及熱處理總結公開可借鑒資料極少。借鑒工業(yè)純鈦焊接工藝對其GTAW焊接工藝進行了初步探討，在焊后熱處理方面未見綜合性技術研究的報道。筆者在研究純鈦及相關鈦合金焊接性［3］基礎上，對新型鈦合金焊接及熱處理性能進行探究。以進一步了解新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接性特點，提出合理焊后熱處理工藝參數，完善新型Ti-3Al-2Mo-2Zr中等強度鈦合金成型加工工藝技術，為推動新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金的廣泛應用提供技術支撐。

1、試驗

1.1材料

新型鈦合金Ti-3Al-2Mo-2Zr板材，牌號TA24，商業(yè)牌號Ti－75，退火態(tài)［2］，規(guī)格400mm×125mm×17mm，數量6組;配套焊絲牌號Ti-75A，焊絲直徑2.0、3.0mm，低雜質稍低合金元素含量。試驗母材和焊絲化學成分見表1，母材力學性能見表2。

焊接氣體及電極:保護氣體為99.99%氬氣，符合GB/T4842《氬》要求，氬氣露點不低于－50℃，電極為鈰鎢極，型號WCe-2.0，直徑為3.0mm。

1.2高溫拉伸試驗

選用與焊接試板母材同批號新型Ti-3Al-2Mo-2Zr板材分別制備6組棒狀標準拉伸試樣，在550、600、650、700、750、800℃等溫度下分別進行拉伸試驗。試件編號按溫度從低到高依次為1^-1～1^-6。

1.3焊接及焊后熱處理試驗

1)試驗方案

制備焊接試板，無損檢測(包括外觀檢測VT、著色檢測PT、射線檢測ＲT)合格后，按不同熱處理參數分別進行焊后熱處理［4］，制備拉伸、彎曲、沖擊、硬度和微觀金相試樣進行試驗，具體方案見表3。

2)焊接試件制備

試件采用單面V型坡口，如圖1所示。焊接前檢查焊接環(huán)境、焊接設備、保護系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài);嚴格清理焊件、焊接材料，試板組對預留10°～15°反變形，兩端增加同材質等厚剛性固定板，氬弧焊點固;采用多層多道焊，焊道層次如圖1所示，焊接過程中對焊接試件300℃以上高溫區(qū)域進行合理惰性氣體保護［5－6］，具體焊接參數見表4。

3)檢測和試驗

完成焊接試件接頭無損檢測合格后，對編號2－2～2－6試板按規(guī)定熱處理參數分別進行焊后熱處理，隨后將2－1～2－6號試板分別制備力學性能(拉伸、彎曲、硬度)及金相分析試樣，并進行各項試驗。

2、試驗結果及分析

2.1無損檢測

1)跟蹤試件焊接過程，檢查試件焊縫表面外觀，結果表明層道間保護良好，表面銀白色，焊后試板變形角度小于1°，焊道光滑美觀;2)按NB/T47013.5—2015《承壓設備無損檢測第5部分:滲透檢測》進行著色檢測，焊縫表面未發(fā)現缺陷，I級合格;3)按NB/T47013.2—2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》進行全部射線檢測，技術等級為AB級，像質計為像質計6Ti12，檢測結果評定均為I級片。

跟蹤檢查試件焊接過程及完成接頭表面，焊道及試件接頭表面均為銀白色，當試件焊縫厚度達到10mm以上時，尾保護采用小罩保護、背保護取消，控制層道間溫度，焊道保持銀白色狀態(tài)，表明新型鈦合金焊接過程散熱條件好;試件焊接采用單面焊背面封底，采用反變形和強制固定防變形，配合多層多道焊，強制固定條件下，焊道及焊縫未出現開口缺陷，表明焊縫金屬具有較好抗裂性;試件焊縫著色和射線檢測，表面和內部均未發(fā)現裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，接頭質量優(yōu)異，表明采用氬弧焊焊接TA24，保護和防污染措施符合要求的情況下，焊接接頭具有良好塑韌性和冶金焊接性，不會出現間隙元素污染及氣孔等問題。

2.2力學性能

1)高溫力學性能

合金Ti-3Al-2Mo-2Zr高溫力學性能試驗結果見表5，典型高溫曲線如圖2所示。

由表5結果看，隨試驗溫度提高，強度呈下降趨勢，高于650℃時，強度下降明顯，750℃與800℃時屈服強度變化不大，延性降低;斷面收縮率和延伸率在低于650℃時較為穩(wěn)定，在700℃時顯著提高。根據焊后高溫加熱屈服蠕變消應力機理，屈服強度降低和延伸率提高將有利于焊接應力促進金屬實現屈服蠕變，保障焊后消除應力熱處理順利有效實施，因此650～750℃焊后消應力熱處理的效果更好。

圖2為幾種典型溫度拉伸力值F－變形L曲線，縱軸為力值F，橫軸為變形量L。從拉伸力值—變形曲線看，650℃時，Ti-3Al-2Mo-2Zr合金高溫拉伸時仍保持了一個穩(wěn)定持久的高強抗拉性能，當700℃時高強度持續(xù)時間顯著縮短，有利于金屬在焊接應力作用下實現快速蠕變屈服，確保焊后消應力效果。

2)焊后熱處理接頭性能

參照JB/T4745—2002《鈦制焊接容器》機加工制備新型鈦合金焊接接頭標準板狀拉伸試樣、側彎試樣、10mm×10mm×55mm焊縫V型缺口沖擊試樣，試驗結果見表6。

從拉伸試驗結果看，新型鈦合金焊接接頭拉伸試樣均以塑性斷裂形式斷于焊縫。焊接狀態(tài)下焊縫與母材等強，隨著熱處理溫度提高，焊接接頭抗拉強度呈逐漸下降趨勢，800℃，1h熱處理后，接頭抗拉強度仍達到母材的85%，高于母材最低抗拉強度要求，說明本焊接工藝條件下，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭未出粗大組織造成性能變化，經過低于相變的加熱過程后，合金和焊接接頭依然具有較高強度。說明材料及焊接接頭具有較好耐熱性能。

參照JB/T4745—2002《鈦制焊接容器》制備新型鈦合金彎曲試樣，按α=90°，D=10s彎曲參數進行彎曲試驗，各組側彎試樣拉伸面沒有發(fā)現超標開口缺陷，有個別試樣出現開口，但小于3mm;新型Ti-3Al-2Mo-2Zr鈦合金0℃V型缺口沖擊值在60～80J變化，熱影響區(qū)稍有降低，沖擊吸收功隨熱處理溫度的變化不明顯，表明新型鈦合金在焊接和不同溫度焊后熱處理后均表現良好的塑性和韌性。

2.3硬度及微觀金相組織

2.3.1硬度檢測

對所有焊接及熱處理試件制備金相試樣，進行微觀金相分析和HV10硬度檢測(檢測方法按圖3)，檢測結果見表7。

對表7結果分析來看，焊縫硬度低于母材，熱影響區(qū)硬度高于母材，隨焊后熱處理溫度提高，焊接接頭各區(qū)域的硬度有稍許降低;試驗2－1和2－6焊縫、熱影響區(qū)硬度高低差異較大，其余試驗接頭各區(qū)硬度差異較小，且較均勻;表明焊接狀態(tài)和800℃高溫焊后熱處理接頭，存在焊接應力或明顯組織不均勻性，在550～750℃焊后熱處理，隨溫度提高，焊接應力降低，組織均勻性改善，接頭硬度差異減小，表明焊后熱處理對新型鈦合金焊接應力變化和焊縫局部抗變形能力有一定作用。

由于填充金屬選用了低合金化、低雜質焊接材料，焊縫合金含量低，焊接時多層多道焊后焊道對前層焊道熱處理作用，造成焊縫硬度低于母材;熱影響區(qū)由于焊接多次加熱快冷造成組織不均勻和脆硬組織出現，硬度有所提高。

2.3.2微觀金相檢測

對新型鈦合金焊接及熱處理試件的微觀金相試樣進行分析，典型溫度焊接接頭微觀組織檢測結果見圖4～6。

由圖4～6可見，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭，母材顯微組織由塊狀、大量片狀α相及少量β相組成，塊狀和片狀α相孿晶生長，層狀分布;熱影響區(qū)塊狀、片狀和針狀α存在，未發(fā)現明顯粗大組織;焊縫組織為大量大片狀α和少量β組織，組織大小差異很大。隨焊后熱處理溫度提高，母材塊狀α減少，片狀α增多，熱影響區(qū)塊狀α減少，片狀和針狀α稍微長大，焊縫組織不均勻性更加明顯［7－8］。

新型鈦合金焊接接頭主要由片狀或針狀、少量塊狀α和β相組成，鋁、鋯置換固溶于α鈦，少量β第二相存在，形成大量片狀或針狀α且孿晶生長，保證材料及焊接接頭具有較高強度;隨焊后熱處理溫度提高，置換固溶體的高溫組織穩(wěn)定性使新型合金組織穩(wěn)定性提高，高溫加熱后片狀或針狀α稍微有所長大，硬度和強度稍有下降，但依然能保持較高強度。大片狀α和少量β相微觀組織焊縫，熱影響區(qū)針狀α組織存在，使焊縫硬度較低，熱影響區(qū)硬度較高，這與焊接過程中焊縫、熱影響區(qū)受熱過程不同有關。

3、結論

根據對新型Ti-3Al-2Mo-2Zr鈦合金試驗過程及結果分析，可以看出:

1)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金采用鎢極氬弧焊焊接，選用低合金低雜質配套焊絲，在上述焊接工藝措施條件下，焊接過程穩(wěn)定，接頭質量優(yōu)異，具有良好冶金焊接性。

2)隨試驗溫度升高，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金強度呈下降趨勢，高于650℃后，強度顯著下降，700℃左右塑性顯著提高，根據焊后熱處理機理，新型合金熱處理應在650～750℃進行焊后熱處理，有利于保證焊后熱處理的效果。

3)在設定的焊接試驗條件下，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭，焊態(tài)可達到與母材等強，在低于相變溫度下進行焊后熱處理后，接頭均保持極高強度，高于母材最小抗拉強度要求，表明其具有良好耐高溫性能。

4)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭高強度及良好綜合性能與合金元素形成的置換固溶及少量β第二相的穩(wěn)定存在有關，置換固溶體和少量第二相的存在，保持了片狀或針狀α大量存在且孿晶生長，受熱影響組織變化較小，使材料和焊接接頭保持了高強度和和耐熱性，且具有良好的塑韌性和致密性;由于含有鉬和鋯，具有與TA10相當的耐蝕性，是一種在耐蝕行業(yè)同樣具有潛在使用價值高性能耐蝕耐熱鈦合金。

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