TA19鈦合金鍛件慣性摩擦焊接工藝

序言

鈦合金具有密度低、強度大、比強度高、耐腐蝕性好等優點，被廣泛應用于航空、航天、船舶等領域[1]。TA19鈦合金作為一種近α型鈦合金，與美國的Ti-6242鈦合金相近，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0。1Si[2]，具有強度高、韌性好及優良的抗蠕變性能[3]，已成功應用于航空發動機的壓氣機盤和機閘等部件[4]。目前國內外科研工作者采用了鎢極氬弧焊、電子束焊等熔化焊方法進行了鈦合金的試驗研究[5-7]，實現了焊接成形，然而采用熔化焊工藝方法焊接TA19鈦合金會存在焊縫組織粗大、焊后變形及高殘余應力等焊接缺陷，嚴重制約了鈦合金焊接件在航空航天領域的工程應用[7]。

慣性摩擦焊(inertiafrictionwelding，IFW)作為一種先進的固相連接技術，憑借其優質、高效、綠色、節能的工藝特點在航空、航天等高技術領域得到了廣泛應用[8]。焊接過程中，工件在軸向壓力作用下作相對摩擦運動，其摩擦產生的熱量使焊接界面金屬發生軟化形成塑形變形層，在頂鍛力的作用下形成焊接接頭[9]。因焊接界面材料處于高溫熱塑性狀態而未發生熔化，避免了熔化焊的夾渣、氣孔、裂紋等焊接缺陷[10]，所得焊縫組織晶粒細小，焊接接頭具有優異的綜合力學性能[11]，已成為一些先進航空發動機關鍵部件制造的重要工藝方法[12]。文中采用正交試驗法，在不同焊接工藝參數對TA19鈦合金進行慣性摩擦焊接試驗研究，對不同焊接工藝參數下的焊接接頭的顯微硬度、室溫及高溫強度等力學性能進行檢測，分析TA19鈦合金的慣性摩擦焊接性，并針對優選工藝后的焊接接頭微觀組織進行了分析。

1、試驗方法

試驗用材料為TA19鈦合金鍛件，工件尺寸為φ135mm×φ65mm，主要化學成分如表1所示。TA19鈦合金為典型的雙態組織，母材組織包括等軸狀初生α相、板條狀次生α相和β相，其β相晶粒尺寸大約為30~50μm，如圖1所示。

試驗用設備為哈爾濱焊接研究院有限公司自主研發的HSMZ-130型軸/徑向慣性摩擦焊機。針對TA19鈦合金工件，將初始轉速和頂鍛壓力兩個關鍵焊接工藝參數分兩水平進行焊接正交試驗，研究焊接工藝參數對焊接成形、焊接接頭性能及組織的影響，正交試驗的因素水平見表2，正交試驗見表3。利用顯微硬度、常溫拉伸等力學性能檢測方法評估TA19的慣性摩擦工藝焊接性。TA19鈦合金作為航空發動機高壓壓氣機低溫端鼓筒盤常用材料，需要在480℃左右的高溫環境下進行工作，為檢測接頭的焊接質量，需對其再進行高溫拉伸檢測，并分析典型焊接接頭不同區域的組織類型及存在形態。采用Q10型顯微硬度儀測試各接頭不同區域的顯微硬度，加載力為1kg；采用AG-Xplus250kN型拉伸試驗機測試各接頭室溫及高溫強度。利用GX51金相顯微鏡觀察典型接頭顯微組織。

2、試驗結果及分析

2.1焊接接頭宏觀形貌

圖2為四種焊接工藝參數中較典型的TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭宏觀形貌，從圖3可以觀察到，TA19鈦合金摩擦焊接頭飛邊形狀完整，焊接飛邊部分區域有毛刺出現。但TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭飛邊發生了粘連，表面較粗糙。

鈦合金在高溫條件下極易氧化，形成Al₂O₃，TiO₂等氧化物，會嚴重降低相關部件的焊接質量，影響其使用安全[13]。慣性摩擦焊接過程中，工件在焊接壓力作用下界面處于封閉狀態，外界氣體無法進入界面區，同時焊接界面上的熱塑性金屬及金屬氧化物被擠出，能夠獲得高質量的焊接接頭。

2.2焊接接頭顯微硬度分析

對焊接接頭進行顯微硬度測試分析，檢測位置簡圖如圖3所示。以焊縫界面中心向焊縫兩側5.6mm范圍內進行硬度測試，其四種不同焊接工藝參數下得到的接頭顯微硬度曲線如圖4所示。圖4為的四種焊接工藝參數下的焊接接頭顯微硬度變化曲線，顯示了焊接接頭從焊縫中心到兩側母材的顯微硬度變化趨勢。

從圖5中可以觀察到，四種接頭的顯微硬度變化趨勢基本保持一致，焊縫中心區域顯微硬度最高，隨著距焊縫中心距離的增加，顯微硬度逐漸降低，顯微硬度變化曲線關于焊縫中心呈對稱分布。焊縫區的高硬度主要是由于焊縫區的快速升溫及降溫使得焊縫中心形成了細小的再結晶組織馬氏體α'相，隨著距焊縫中心距離的增加，溫度逐漸降低，動態再結晶越不充分，馬氏體α'相的數量驟減，顯微硬度也出現了較大幅度的降低。

對比四種接頭的顯微硬度變化曲線可知，3號接頭焊縫中心區域顯微硬度最高，其次是2號接頭，1號接頭焊縫中心區的顯微硬度最低。3號接頭焊縫中心區域顯微硬度最高主要是由于該接頭對應工藝參數的初始轉速高，能量輸入大，等軸的初生α相及板條狀次生α相充分溶解到了β相中，且頂鍛壓力低，焊縫中心保留了更多的熱塑性金屬，快速的降溫過程使得過飽和β相無法進行擴散型相變，只能以切變的形式轉化成了大量的馬氏體α'相而存在焊縫區。4號接頭的焊接能量輸入大，但其頂鍛壓力高，焊縫中心擠出了過多的熱塑性金屬，形成了較大的焊接飛邊，僅有相對較少的熱塑性金屬實現了動態再結晶過程，因此焊縫區的馬氏體α'相數量減少，顯微硬度降低。但四種焊接工藝參數下的接頭焊縫區顯微硬度都要遠高于母材區，而且焊縫區的晶粒尺寸也更小，具有更好的力學性能。

2.3焊接接頭拉伸性能分析

2.3.1常溫拉伸

四種焊接工藝參數下的接頭室溫拉伸斷后試樣及檢測結果分別如圖5和表4所示。

通過圖5可以發現，四種工藝參數下的焊接接頭拉伸試樣均斷裂于遠離焊縫中心的母材區，而未出現在焊縫區或熱力影響區，說明上述四種焊接接頭強度均高于母材而使得斷裂位置均位于母材區。主要是由于焊接過程中焊縫區及熱力影響區形成了細小的再結晶組織馬氏體α'相，提高了焊縫區及熱力影響區的強度，同時大的頂鍛壓力也細化了原始β晶粒組織，起到了一定細晶強化作用。因此，經過慣性摩擦焊接工藝焊接的TA19鈦合金接頭抗拉強度等于甚至稍高于母材區的抗拉強度。

TA19鈦合金作為航空發動機常用材料，其室溫抗拉強度要求的標準值Rm=895MPa，而四種接頭的室溫抗拉強度均在900MPa以上。因此，TA19鈦合金的慣性摩擦焊接質量能夠很好的滿足航空發動機TA19鈦合金轉子部件對焊接接頭性能的要求。

2.3.2高溫拉伸

航空發動機高壓壓氣機轉子部件需要在高溫、高壓等惡劣環境下工作，其工作溫度一般在450~550℃范圍內[14]，為檢驗TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭的高溫性能，針對TA19鈦合金接頭進行480℃高溫拉伸試驗，其拉伸斷裂后試樣及檢測結果分別如圖6和表5所示。

通過圖6可以觀察到，TA19鈦合金在480℃高溫條件下的拉伸斷裂試樣與常溫拉伸斷裂試樣相近均斷裂于遠離焊縫中心的母材區，焊縫區均未出現明顯的塑性變形而處于完好狀態，TA19慣性摩擦焊接頭在480℃條件下仍具有較高的抗拉強度。

TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭焊縫區主要由過飽和β相及馬氏體α′相構成，其中馬氏體α′相對提高焊縫區強度起到了重要作用，同時焊接接頭的快速加熱及降溫過程也使得焊縫區得到了細小的動態再結晶晶粒，起到了細晶強化作用。而溫度相對較低的熱力影響區也得到了晶粒細小的β相及一定數量的馬氏體α′相，對提高熱力影響區強度的作用相對次之，通過對接頭顯微硬度的檢測在一定程度上就能夠間接反映接頭各區域的強度分布情況。

TA19鈦合金中的α相穩定元素Al增加了固溶體中原子間的結合力，在提高母材本身高溫強度上起到了決定性作用，而焊縫區及熱力影響區的過飽和馬氏體α′相具有了更高的耐熱性能，提高了TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭的高溫強度。此外，中性元素Zr在起到固溶強化作用的基礎上，也能提高TA19鈦合金的高溫性能。因此，TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭在480℃高溫條件下依然能夠保證焊接接頭的高強度性能，滿足TA19鈦合金航空發動機相關部件的服役環境要求。

2.4焊接接頭組織分析

TA19鈦合金作為航空發動機用耐高溫結構材料，需要高質量的焊接接頭才能滿足轉子部件高溫、高壓及高轉速的苛刻條件要求。通過對焊接接頭的初步力學性能檢測可知，TA19鈦合金的慣性摩擦焊接頭質量遠高于其它熔化焊方法，該焊接工藝更適合于TA19鈦合金材料相關部件的焊接工作。因此，在對接頭進行力學性能檢測的基礎上，針對工藝優選后的接頭微觀組織類型及分布做進一步分析。

圖7為TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭組織宏觀形貌，從圖7中能夠觀察到接頭四個明顯區域：焊縫區(WZ)、熱力影響區(TMAZ)、熱影響區(HAZ)、母材(BM)。其接頭焊縫區熔合線寬約為70μm，單側熱力影響區寬度約為1500μm，單側熱影區寬度約為1000μm。圖中1為焊縫區熔合線。

圖8a為接頭焊縫區組織。焊縫區主要由少量沿β相晶界分布的沿晶α相+α′馬氏體，焊縫原始β相呈等軸晶，晶粒尺寸在20~30μm。在焊接過程中，焊縫區溫度應在1200℃左右，遠高于α→β相轉變溫度，具有hcp晶格的初生α相和板條狀次生α相全部轉變成了bcc晶格的β相，形成粗大的等軸β相晶粒，在隨后壓力作用下，β相發生流變及再結晶，形成如圖8a所示的晶粒尺寸在20~30μm的β相晶粒。隨著焊縫區的快速冷卻，等軸β晶粒沿著晶界析出了少量的初生α相，大部分bcc晶格的β相無法進行擴散型相變而形成α相組織，只能以切變的方式轉變為α′馬氏體相，晶內α′馬氏體相呈平行或交錯分布，焊縫原β相晶界輪廓清晰可見。

圖8b為接頭熱力影響區組織。熱力影響區主要由變形初生α相+α′馬氏體，可見β相晶界，相比于焊縫區組織特征具有顯著變化。焊接過程中，因溫度最高的焊縫區熱量逐漸向兩側傳導，使得焊縫區兩側母材溫度升高，α相向β相轉變，由于該區的溫度低于α→β相轉變溫度，部分初生α相被保留下來，在焊接壓力作用下經歷了嚴重的塑形變形，α相被不同程度的拉長，并沿著摩擦方向呈方向性條狀分布特征。此外，隨著熱力影響區溫度的降低，晶粒內部分別以擴散型及切變型相變方式析出次生α相及α′馬氏體相，原始β晶界隱約可見。圖8c為焊接接頭熱影響區組織。通過對圖8c的觀察，熱影響區組織類型及存在狀態在焊接過程中未發生顯著變化，晶粒尺寸為15~50μm不等。經過焊接熱循環的影響，初生α相明顯減少，板條狀β相厚度及次生α相分布狀態發生了一定程度變化，部分晶粒內板條狀β相厚度增加，板條界面變的模糊，有可能部分β相發生α′馬氏體轉變。另外，部分平行分布的次生α相轉變成為交叉分布。

3、結論

(1)TA19鈦合金具有良好的慣性摩擦焊接性，在合理焊接工藝條件下能得到高強度焊接接頭。

(2)TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭常溫及高溫拉伸試驗均斷裂在遠離焊縫中心的母材區。

(3)TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭常溫拉伸最高抗拉強度最高達969MPa，480℃高溫拉伸試驗最高抗拉強度最高達到了688MPa。

(4)TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭焊縫區組織由少量初生α相+馬氏體α′+少量晶界β相；熱力影響區由變形初生α相+馬氏體α′+少量晶界β相；熱影響區組織與母材組織相近，僅部分板條狀β相厚度增加及板條狀次生α相發生了交叉分布。

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作者簡介：張春波，男，1986 年出生，博士研究生. 主要從事摩擦焊接工藝及控制系統的研究工作. 已發表論文 10 篇. Email：zhangcbcb@163.com

通訊作者：周 軍，男，碩士，研究員. Email：mch_zhoujun@126.com