不同退火温度对Ti-3873合金焊接接头组织与性能的影响.pdf

2024年 第1期 热加工65焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g不同退火温度对Ti-3873合金焊接接头组织与性能的影响华允琪，孙世博，田宇航，李壮，吕坤琪，张利沈阳航空航天大学材料科学与工程学院 辽宁沈阳 110136摘要：将经过激光焊接的Ti-3873合金进行450、550、650、750退火处理，并对其组织和性能进行了研究。结果表明：Ti-3873合金焊接接头试样经过退火处理后在热影响区晶粒内出现了孪晶。随着退火温度的增加，强度和平均硬度值呈先上升再下降趋势，在550退火后抗拉强度达到1279.27MPa的最高值。Ti-3873合金焊接接头650退火为最佳退火工艺。关键词：Ti-3873合金；热影响区；退火；孪晶；抗拉强度Effects of annealing at different temperatures on microstructure and properties of Ti-3873 alloy welded jointsHUA Yunqi,SUN Shibo,TIAN Yuhang,LI Zhuang,L Kunqi,ZHANG LiCollege of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,Liaoning,ChinaAbstract：Microstructure and properties of Ti-3873 alloy laser welded joints after annealed at 450，550，650，750，respectively were studied.The experimental results show that the twins are observed in the HAZ of Ti-3873 alloy laser welded joints.The strength and hardness elevate and then drop with annealing temperatures increasing.The tensile strength reaches the maximal value of 1279.27MPa after annealing at 550.The annealing at 650 of Ti-3873 alloy welded joints is the optimal process.Keywords：Ti-3873 alloy；HAZ；annealing；twins；tensile strength基金项目：国家高技术研究发展计划（2015AA03A501）；沈阳航空航天大学大学生创新创业训练计划（X202210143164）。第一作者：华允琪，本科，主要研究方向为金属材料的组织与性能，E-mail：。通信作者：李壮，教授，博士，主要研究方向为金属材料的组织与性能，E-mail：L。1 序言钛及钛合金已被广泛应用于许多领域1，而Ti-3873是一种最具发展潜力的高强钛合金。焊接是钛合金部件制备的关键技术之一。焊接接头出现的问题会严重影响钛合金使用性能2。经过激光焊接后的钛合金，由于塑性变形会引起加工硬化并产生残余应力，所以有必要对其进行退火处理。本文对Ti-3873亚稳钛合金激光焊接头进行了不同工艺退火处理，并对其组织与性能进行了研究。2 试验材料与方法Ti-3873合金化学成分见表1。采用RFL-C4000X型4000W连续光纤激光器，选用额定输出功率4kW、中心波长1080nm、红光功率0.51MW的技术参数，并用纯Ar气作为保护气完成焊接。2024年 第1期 热加工66焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g 表1 Ti-3873 合金化学成分（质量分数）（%）AlMoVCrONTi3.07.97.13.00.1920.029余量T i-3 8 7 3 合 金 的 转 变 温 度 为76853，以此确定了Ti-3873合金焊后退火处理方案。将经过激光焊接的Ti-3873合金线切割出若干试样，置于SRJX 箱式电阻炉中，经450、550、650、750保温120min炉冷处理。对金相试样采用4%HNO3酒精试剂腐蚀后在显微镜（OLYMPUS）下进行组织分析。在HVS-1000数显维氏硬度计上测量其维氏硬度，每个试样上测5个点取平均值。在INSTRON4206型电子机械拉伸试验机上完成拉伸试验，测试3组取其平均值。3 试验结果与讨论3.1 显微组织焊后退火处理后的Ti-3873合金激光焊接接头的宏观形貌和显微组织分别如图1、图2所示。a）接头宏观表面b）接头微观截面图1 Ti-3873合金激光焊接接头的宏观形貌由图2可知，Ti-3873合金焊接接头经过450退火后，在热影响区位置有孪晶产生，且孪晶组织的产生在焊缝中心也有所体现（见图2a）；550退火后，有等轴状的晶粒存在，部分晶粒经过退火后尺寸有所增长，且大小形状不一（见图2b）；650退火后，热影响区部分等轴相数量减少（见图2c）；750退火后，相长大，同时可发现部分热影响区晶粒内存在孪晶，出现孪晶的原因可能是焊a）450保温120min b）550保温120minc）650保温120min d）750保温120min图2 Ti-3873合金焊接热影响区的显微组织接过程中的焊接热变形所致（见图2d）。同时，由于激光焊接快速冷却，所以组织中有部分相留存。3.2 力学性能（1）硬度 Ti-3873合金焊接接头不同温度退火后热影响区的硬度平均值见表2。2024年 第1期 热加工67焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表2 Ti-3873焊接接头不同温度退火前后硬度平均值 退火温度/退火前450550650750硬度HV10296.4416.5427.9395.6391.4随着退火温度的增加，Ti-3873合金焊接接头平均硬度值呈先上升再下降趋势。其中，退火处理参数为550保温120min下的平均硬度值最高，Ti-3873合金热影响区硬度值最大为427.9HV10。经过不同参数退火的钛合金焊接试样硬度值与未进行退火处理相比，焊接接头的平均硬度值均有所提升，分析原因认为是焊接造成焊接接头产生残余应力，使硬度升高。退火处理去除了焊接接头的残余应力，使接头组织更均匀。（2）力学性能 不同参数退火处理后Ti-3873合金焊接接头单组测试的力学性能见表3。表3 Ti-3873合金焊接接头退火前后的力学性能项目抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率（%）退火前1198.97774.616.35450退火1090.85763.024.95550退火1279.27962.434.77650退火1102.15643.816.65750退火1106.85845.325.14由表3可知，Ti-3873合金焊接接头在550保温120min后抗拉强度达到最高（1279.27MPa），经过不同退火参数处理后Ti-3873合金焊接接头的屈服强度也有所改善。而经过650保温120min退火后，抗拉强度较前降低不多，而断后伸长率提高，应为最佳退火工艺。3.3 结果分析与讨论本研究中钛合金含有较高含量的相稳定元素Mo（见表1），稳定元素能降低合金的转变温度，稳定相组织。由于相稳定元素含量较高和激光焊接冷却速度较快，因此钛合金激光焊接接头组织开始由单一的相组成，但在退火的冷却过程中相又析出了细小的相（见图2c）。有研究表明4，在亚稳态钛合金中，相基体上分布的过渡相或稳定相的尺寸、形态和体积分数决定了亚稳态钛合金的性能，且相越细小，相的量越多，合金的强度就越高。由于不同含量相在相晶内和晶界上析出，Ti-3873合金焊接接头经过550保温120min退火处理后，抗拉强度与其锻态母材的强度相比有所提升，但塑性有所降低。退火态焊接接头强度提高的原因在于退火处理后强化相的析出和残余应力的消除。Ti-3873合金焊接接头经过退火处理后，热影响区的初生相随着退火温度的增加，尺寸有所增长，细小的相已经被粗大的等轴、粗针状、条状 相所取代（见图2d）。母材的显微组织随着退火温度的增加由“团絮状”组织向多边形相转变。Ti-3873合金焊接接头经过不同参数的退火处理，在750退火后，Ti-3873焊缝中心的显微组织晶粒轮廓清晰可见；部分热影响区晶粒内出现了孪晶（见图2）。Ti-3873合金焊接接头在不同参数下退火的硬度峰值都出现在热影响区位置，且焊缝中心和母材的硬度大致相等。随着退火温度的增加，Ti-3873合金焊接接头各区域平均硬度呈先上升再下降趋势，在550保温120min后抗拉强度达到最高（1279.27MPa）。4 结束语1）Ti-3873合金焊接接头经过不同参数的退火处理后，在750退火后部分热影响区晶粒内出现了孪晶。2）随着退火温度的增加，Ti-3873合金焊接接头各区域平均硬度呈先上升再下降趋势。Ti-3873焊接接头在550退火后抗拉强度达到1279.27MPa的最高值。3）Ti-3873合金焊接接头经650退火，能够获得良好的综合性能，为最佳退火工艺。参考文献：1 PESODE P，WANKHEDE S V.Titanium alloy selection for biomedical application using weighted sum model methodologyJ.Materials Today：Proceedings，2023，72（3）：724-728.2 聂璞林，李铸国.钛合金激光焊接研究现状J.民用飞机设计与研究，2022（1）：95-1033 吕坤琪.Ti-3573和Ti-3873合金激光焊接接头组织和性能的研究D.沈阳：沈阳航空航天大学，20234 ZHENG Y，WILLIAMS R，SOSA J M，et al.The role of the phase on the non-classical precipitation of the phase in metastable-titanium alloysJ.Scripta Materialia，2016，111（1）：81-84.20231103