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研究新進展:焊接工藝對異種鈦合金焊接件性能的影響(上)

來源:江蘇激光聯(lián)盟2021-11-08 我要評論(0 )   

鈦合金在工業(yè)上的應用越來越廣泛,焊接鈦合金的方法不斷更新迭代。本文探討了一種焊接鈦合金的新趨勢與新進展。摘要如今,鈦合金因其高強度重量比、耐腐蝕性和高溫強度...

鈦合金在工業(yè)上的應用越來越廣泛,焊接鈦合金的方法不斷更新迭代。本文探討了一種焊接鈦合金的新趨勢與新進展。

摘要

如今,鈦合金因其高強度重量比、耐腐蝕性和高溫強度的特性在各種復雜工業(yè)中得到了廣泛應用。這使得異種鈦合金在單個單元中實現(xiàn)對比特性變得流行。結(jié)構(gòu)制造過程中,焊接等連接方法是實現(xiàn)所需特性的關鍵。本研究旨在綜述用于不同鈦合金焊接的各種先進工藝。

特別研究了鎢極惰性氣體保護焊(GTAW)、激光和電子束焊接等不同焊接方法對α、α+β和β鈦合金異種焊縫組織、力學性能及其它特性的影響。探討了影響焊接工藝參數(shù)對合金機械強度、顯微組織和焊接接頭質(zhì)量的基本現(xiàn)象。此外,還對熔合區(qū)孔隙率和界面區(qū)金屬間化合物概念的演變進行了詳細研究。另深入研究了提高接頭質(zhì)量的各種補救方法,如光束偏移、工藝雜交、時效和焊后熱處理等。結(jié)合鈦合金異種焊接的工業(yè)上應用最新趨勢,介紹了該領域進一步研究的最新進展。

Ti6A1-4V/Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn熔焊件的結(jié)構(gòu)特征。(a)顯示Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn熔合邊界區(qū)域的光宏圖。大箭頭表示明顯的熔合邊界。(b) 顯示rn'人工轉(zhuǎn)化帶的光顯微照片。(c) 掃描電子顯微照片,顯示轉(zhuǎn)化帶結(jié)構(gòu)和相鄰的β區(qū)。

1.介紹

隨著技術(shù)的發(fā)展,在工程產(chǎn)品方面實現(xiàn)卓越的需求也在增加。通過將不同的材料組合在一個產(chǎn)品中,就可以實現(xiàn)多種功能。鉚接、熱縮配合和焊接是工業(yè)中用于連接不同材料的一些工藝。其中,焊接是首選,尤其是在高溫和高壓應用中,如壓力容器和飛機結(jié)構(gòu),因為具有高強度要求的增強密封。

然而,就長期服務提供而言,結(jié)構(gòu)完整性可能會受到影響。特別是,異種合金的焊接可能會導致焊接接頭界面處的不相容問題,因為材料特性不同,如導熱系數(shù)、熱膨脹和彈性模量。對于Ti-6-4/Ti-22Al-27Nb焊接接頭,不同材料的上述性能差異導致元素分布發(fā)生顯著變化,如圖1所示。觀察到元素向基底金屬(BM)區(qū)域的擴散很??;但是,熔化區(qū)域受到顯著影響。

圖1 采用3kw CO2激光焊接機獲得的Ti-6-4(TC4)/ Ti-22Al-27Nb異種焊縫截面b元素分布

2.鈦合金的性能和應用

鈦以兩種同素異形體形式存在,一種是封閉六角形結(jié)構(gòu)(HCP)的α相(α相),而β相(β-phase)是體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)。加熱時,hcp結(jié)構(gòu)的α相在β過渡溫度(t β transsus)轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc結(jié)構(gòu)的β相。鈦的Tβtransus約為885°C,是合金元素及其比例的函數(shù)。用于鈦合金的合金元素可分為三類。第一組元素為α-穩(wěn)定劑,在室溫下保持HCP晶體結(jié)構(gòu)并提高β-過渡溫度,所得合金被視為α-鈦合金。鋁(Al)和間隙元素,如氧(O)、氮(N)和碳(C)是強α-穩(wěn)定劑。第二組元素是β-穩(wěn)定劑,可以穩(wěn)定BCC晶體結(jié)構(gòu),降低β-過渡溫度,因此稱為β鈦合金。釩(V)、鉬(Mo)、亞鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、氫(H)、鈷(Co)、銅(Cu)和鉭(Ta)是β-穩(wěn)定劑的示例。第三組元素為固溶體增強劑,不影響β-transus溫度。如錫(Sn)和鋯(Zr),它們表現(xiàn)為中性,對相變溫度影響很小。

凝固速度增加導致富溶質(zhì)帶形成的示意圖。Co為標稱合金成分,k為平衡分配比。(a) 在R~處的穩(wěn)態(tài)凝固,(b)生長速率從R~增加到R 2,(c)在R 2處的穩(wěn)態(tài)凝固(經(jīng)過Flemings之后)

因此,添加它們是為了通過限制滑移變形和位錯移動來改變合金的性能。α-合金在室溫下具有非常有限的BCCβ相。同樣,α- β合金在室溫下同時保留了α相和β相。α - β鈦合金中的合金元素在室溫下起到穩(wěn)定劑的作用,使β相保持不變。Β-alloys在冷卻到室溫時,由于β穩(wěn)定元素的作用,易于保持β相。。圖2顯示了β穩(wěn)定劑數(shù)量的增加對β相室溫穩(wěn)定性的影響,這也與馬氏體起始溫度(Ms)有關。在此溫度下,BCC(β相)開始轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧頗CP(α相)微觀結(jié)構(gòu),稱為馬氏體,并依賴于合金元素。如圖2所示,β-穩(wěn)定劑用量的增加降低了Ms值。

圖2 鈦合金的α β相圖

2.1α-鈦合金

一般而言,鈦合金因具有許多吸引人的特性而廣泛應用于各種工業(yè)。例如,在航空航天工業(yè)中,常使用α-鈦合金,如Ti–3Al–2.5V、Ti–5Al–2.5Sn、Ti–8Al–1Mo–1V和Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo等,主要是因為它們具有很強的抗腐蝕性和在高溫下的顯著機械強度。其他α-合金,如商用純鈦(C.P.Ti)、Ti-12、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6-2-4-2和Ti-8Al-1Mo-1V具有優(yōu)異的焊接能力和耐腐蝕性。

但由于它們是單相合金,熱處理過程不會改變相,且機械性能也不會發(fā)生顯著變化,因此無法通過熱處理進行強化。對于單相α-鈦合金的強化機制很少。這些包括固溶體、晶粒尺寸、織構(gòu)和沉淀硬化/強化機制,但范圍有限。

其中一些合金被稱為近α,含有少量β穩(wěn)定元素,使熱處理和機械性能改善成為可能。即使在極低溫度下,α和近α合金也比β鈦合金具有更好的蠕變性能。α-合金的強度與300系列退火不銹鋼相當,重量減少約40%。該組的高鋁含量導致了優(yōu)異的強度特性和在高溫(即316–593°C)下的抗氧化性。與同時具有HCP和BCC相的β-和α+β-鈦合金相比,α-鈦合金具有完整的HCP晶體結(jié)構(gòu),在于其相對較低的強度和延展性。HCPα-結(jié)構(gòu)有三個滑移面,而BCCβ-結(jié)構(gòu)有48個滑移面,因此,α-合金中滑移變形的減少使其在室溫下的韌性降低。

此外,由于滑移面密集堆積,HCP結(jié)構(gòu)的滑移臨界剪切應力(CRSS)小于BCC結(jié)構(gòu),從而導致前者的抗變形強度低于后者。然而,在高溫下,HCP組織中會產(chǎn)生額外的滑移體系,從而提高了α-合金的延展性,因此α-合金在高溫下的性能優(yōu)于β-合金。α-合金的其他局限性包括熱處理窗口非常窄,因此可以用于強化的選項較少。

2.2 α+β-鈦合金

常見的α+β鈦包括Ti–6Al–4V、Ti–6Al–7Nb、Ti–6Al–6V–2Sn、Ti-17和Ti-550,它們具有良好的強度和成形性能。此外,這些合金具有較寬的熱處理窗口,因此可以改善機械性能和微觀結(jié)構(gòu),從而達到預期的應用。通過進行機械加工和/或熱處理操作來改變這些合金的機械性能具有廣泛的靈活性。根據(jù)合金成分和加工路線,合金的最終微觀結(jié)構(gòu)可以是完全等軸、層狀或雙峰。這些合金的β-transus溫度低于α-合金,因為熱加工和再結(jié)晶處理是在相對較低的溫度下進行的,因此產(chǎn)生了經(jīng)濟的生產(chǎn)順序。

α+β-鈦合金

2.3 β-鈦合金

Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-Mo和Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-0.05Pd是具有良好成形性和熱處理響應性的β鈦合金。由于BCC結(jié)構(gòu)中存在大量的滑移面,因此BCCβ相比HCPα相具有更大的韌性。此外,與α和α+β鈦合金相比,這些合金在熱處理條件下具有最高的強度。然而,更高的密度、更高的成本和微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性是其中的一些缺點。一些β-鈦合金(包括Ti–10V–2Fe–3Al、Β-21S等)中出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性,這是因為含有大量合金元素,會析出瞬態(tài)和脆性相。

此外,β-鈦合金的焊接性能一般較差,因為存在β-穩(wěn)定劑,從而抑制了強化沉淀的形成,降低了焊接接頭的強度,因此焊接接頭的強度低于母材。與α-合金相比,β-鈦合金可以達到顯著的高強度水平。例如,在cpTi中,β相非常有限,因此,較少的α/β晶界阻礙了位錯的移動。然而,富β合金中較高比例的α/β晶界充當位錯屏障和應變不相容性的場所(兩相之間材料性質(zhì)的差異導致相同外加載荷下的不同應變率),從而使其成為高強度合金。表1概述了鈦合金的性能和代表性應用。

表1 鈦合金性能比較綜述

3.鈦及其合金的焊接

鈦合金的連接可以通過幾乎所有的焊接工藝進行,如激光束焊接(LBW)、鎢極惰性氣體焊接(TIG)、電子束焊接(EBW)和攪拌摩擦焊接(FSW)。鈦合金焊接過程中需要考慮的主要因素是鈦對大氣氧的高親和力。鈦表面在室溫下形成的氧化層是其高耐蝕性的主要原因;然而,隨著溫度的升高,該氧化層的電阻迅速降低,因為在高溫過程中,大氣污染成為一個問題。一般而言,鈦及其合金對熔焊操作表現(xiàn)出良好的響應,這是由于以下一些固有特性:

?導熱系數(shù)低。

?低密度。

?熔池的高表面張力。

LBW、EBW和FSW均用于生產(chǎn)鈦合金的高質(zhì)量焊縫;然而,它們的運營涉及到較高的資本成本。相反,TIG焊接工藝有利于鈦合金,因為它具有一些顯著的特點,如操作成本低、易于自動化和靈活性。此外,這些特性使TIG焊接成為應用最廣泛的金屬連接技術(shù)。TIG焊接有可能以更低的成本生產(chǎn)出與LBW和EBW質(zhì)量相當?shù)暮缚p。此外,對于Ti–6Al–4V等鈦合金,TIG焊接接頭的沖擊韌性高于EBW和LBW接頭。這可能歸因于晶界α-和先前β-晶粒的粗糙微觀結(jié)構(gòu),促進了沖擊斷裂期間裂紋的分支,并增加了斷裂所需的能量。此外,粗糙的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻,并具有三軸應力狀態(tài),可抵抗應力空化。

每個焊接過程中熱源的性質(zhì)不同,因此功率密度(平均功率與表面積之比)存在顯著差異,如圖3所示。

圖3 不同焊接工藝的功率密度,“GTAW”為TIG焊接,“PAW”為等離子弧焊

LBW因其快速加工能力而廣泛應用于鈦合金。LBW(Nd:YAG和光纖激光器)的脈沖形式是一種先進的工藝,在這種工藝中,熱源更密集,使得每次脈沖后焊接區(qū)發(fā)生熔化和凝固。理想的焊接模式可以通過脈沖能量、形狀、持續(xù)時間、速度和重復率等參數(shù)的最佳組合來選擇,因此它比TIG焊接更有效和可控。在電子束焊接過程中,熔合熱源是一束指向工件的高速電子束。電子束焊接設備包括陰極和提供強電場和磁場以加速電子的裝置。焊接操作期間使用真空為鈦合金提供了一個明顯的優(yōu)勢,因為熔化的焊接池受到保護,免受大氣氧氣的污染。

電子束焊接的功率密度約為1012W/m2,而傳統(tǒng)TIG焊接工藝的功率密度約為109W/m2,因此在單道次焊接中可獲得較高的功率密度,同時可降低總熱輸入。Schultz得出結(jié)論,與LBW和TIG焊接操作相比,由于電子束焊接具有顯著的工作距離,因此可以焊接各種尺寸和幾何形狀的工件。Saxena將GMAW(金屬極惰性氣體保護電弧焊)與EBW進行了比較,并得出結(jié)論,后一種技術(shù)焊接150mm厚不銹鋼所需的時間和焊道數(shù)顯著減少(與GMAW的4小時、35分鐘和35次焊道相比,EBW只需27分鐘和單次焊道)。

EBW還可用于生產(chǎn)高性能鎳基合金、Ti2AlNb和NiTi基形狀記憶合金的高質(zhì)量焊縫。Weglowski等人從技術(shù)、現(xiàn)代趨勢和應用方面對EBW進行了詳細的綜述。與LBW相比,EBW更適合反射激光束的有光澤表面的金屬。Bing報告說,EBW因為其深而窄的焊接區(qū)(WZ)、顯著減少的熱影響區(qū)(HAZ)和可靠性,仍然是大多數(shù)金屬的首選連接方法。此外,小于1–300 kW范圍內(nèi)的光束功率使焊接厚度在0.5到300 mm范圍內(nèi)的薄板成為可能。

來源:Infuence of welding processon the properties of dissimilar titanium alloy weldments:a review,JMST Advances (2020) 2:61–76,10.1007/s42791-020-00034-4

參考文獻:Z.L.Lei,Z.J.Dong,Y.B. Chen,L.Huang,R.C.Zhu,Microstruc-ture and mechanical properties of laser welded Ti–22Al–27Nb/ TC4 dissimilar alloys. Mater. Sci. Eng. A 559, 909–916(2013);D. Banerjee, J.C. Williams,Perspectives on titanium science and technology. ActaMater. 61(3), 844–879(2013);G. Lütjering, J.C. Williams, Titanium(Springer, Berlin,2007);Rti, “Titanium alloy guide,” pp. 43–74(2013).


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