热处理对100 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头性能的影响

房卫萍，黎小辉，张宇鹏，罗子艺，余 陈

（1.广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510650；2.广东省材料与加工研究所，广东广州510650）

热处理对100 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头性能的影响

房卫萍1，黎小辉2，张宇鹏1，罗子艺1，余 陈1

（1.广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510650；2.广东省材料与加工研究所，广东广州510650）

针对100mm厚TC4钛合金板进行电子束对接，焊后对接头分别进行850℃再结晶退火和920℃+2 h和500℃＋4 h固溶时效热处理，观察接头的微观形貌，测试其硬度和拉伸性能。结果表明，经过再结晶退火后，焊缝中部开始出现β相晶界，热影响区熔合线附近的针状α′相变少，β相等轴晶界开始出现。经过920℃＋2 h和500℃＋4 h固溶时效处理后，焊缝中部和底部都出现明显的β相晶界，热影响区熔合线附近的β相等轴晶界明显可见，为细片层β转变组织。力学性能测试表明，经过固溶时效热处理的接头焊缝区、热影响区及母材区的显微硬度明显高于焊态，其接头拉伸强度比焊态提升11.3%，屈服强度比焊态提升17.2%，但接头延伸率比焊态降低近59%。

大厚度钛合金；电子束焊接；热处理；力学性能

0 前言

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好以及韧性好等优点，广泛应用于航空航天领域[1-2]。近年来，随着大深度潜水器的迅速发展，大厚度钛合金以其独特优势获得应用。美国的Alvin、法国的Nautile、日本的Shinkai6500以及中国的蛟龙号潜水器壳体均采用钛合金制造[3-4]。电子束焊接方法具有能量密度高、穿透能力强、焊接效率高、热影响区小、焊接变形小等特点，在真空条件下焊接可避免空气的污染，特别适合焊接大厚度钛合金[5]。

由于电子束焊接温度梯度（焊缝深宽比）大，在厚度方向容易造成焊缝成形、接头组织和力学性能的不均匀[6-8]，因此，研究大厚度钛合金电子束焊接接头的力学性能和微观组织具有重要意义。本研究对100 mm厚TC4钛合金进行电子束焊接，分析焊后热处理工艺对接头组织和性能的影响，为实际工程应用奠定基础。

1 试验材料和方法

焊接母材为TC4钛合金锻件（退火态），尺寸为300 mm×650 mm×100 mm。采用ZD150-60 CV85高压电子束焊机进行对接焊接。为保证焊接过程中焊缝成形良好，避免出现大量气孔，反面使用同材质的垫条。焊接工艺参数为：焊接电压150 kV，焊接速度3 mm/s，电子束流270 mA，聚焦电流2 380 mA。

焊接完成后用线切割方法将焊件切块进行不同的工艺热处理，如表1所示。拉伸试样尺寸根据美国ASTM-E8设计，如图1所示。由于工件厚度大，焊缝熔深较大，因此拉伸试样在厚度方向分5层取样。在万能拉伸试验机上进行拉伸测试。接头的显微硬度分上、中、下3层测试。分别采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察显微组织和断口形貌。

表1 热处理工艺Table 1 Heat treatment process

2 试验结果和讨论

2.1 热处理对接头组织的影响

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Tensile specimen

焊态接头的显微组织如图2所示。母材组织由白色等轴及条状α相和灰色晶间β相组成。在电子束焊接过程中，焊缝金属快速冷却，高温β相直接发生马氏体转变，形成针状α′相马氏体组织。焊缝上部的针状α′相比焊缝中部和下部的α′相更粗短。这是因为电子束焊接超厚板钛合金时，上部的热输入大于下部的热输入，冷却时上部由于热量的堆积散热较慢而导致组织的不均匀性。焊缝热影响区在快速冷却时α相未发生转变，β相切变为马氏体α′相，故其组织为α+α′相，熔合线附近的α′相明显多于α相组织。

经过850℃再结晶退火热处理的接头显微组织如图3所示。母材区的组织仍是α+β双相组织，只是条状α相增多，等轴α相减少。焊缝为针状马氏体组织，焊缝上部和中部出现原始β相晶界。热影响区熔合线附近的针状α′相变少，β相等轴晶界开始出现，为细片层β转变组织。随着距熔合线距离的增加，针状α′相含量逐渐减小。

固溶时效热处理的TC4接头显微组织如图4所示。母材α+β双态组织中的片状α相变短变宽。焊缝区组织的针状α′相纵横交错排列，犹如编织的网篮。焊缝中部的β相晶界明显可见，焊缝底部出现断续分布的β相晶界。热影响区熔合线附近的β相等轴晶界明显可见，为细片层β转变组织。随着距熔合线距离的增加，热影响区的组织越接近母材的组织，为白色等轴α相+灰色晶间β相。

2.2 热处理对接头硬度的影响

接头显微硬度分上、中、下三层测试。接头焊缝区经过不同焊后热处理，其显微硬度发生改变，如图5所示。焊态条件下的接头焊缝区显微硬度相对较低，经过850℃再结晶热处理的接头焊缝区显微硬度略微提高，而经过更高温的固溶时效热处理的接头焊缝区显微硬度明显提高。这是因为热处理过程中发生回复再结晶，组织空位浓度下降，发生部分变化，形成亚结构的缘故。固溶时效处理后，由于接头经过高温淬火和低温时效，得到较多的亚稳β相，故总体硬度最高。

图2 焊态的接头显微组织Fig.2 Microstructure of the joint at welding state

在相同热处理工艺下，不同厚度区域的焊缝区显微硬度不同。焊态下，焊缝下部的硬度最高，这与焊缝下部冷却最快、形成针状马氏体较多有关。经过再结晶热处理后，焊缝上部显微硬度变得最高。固溶时效处理后，焊缝中部开始出现晶界，其显微硬度变得最高。

接头热影响区经过不同焊后热处理，其显微硬度也发生变化，如图6所示。焊后经过再结晶退火热处理的热影响区中部显微硬度与焊态相比有所提高，而经过固溶时效处理后的热影响区显微硬度更是明显提高。观察显微组织发现，焊态条件下的热影响区未出现再结晶晶界，而经过再结晶退火和固溶时效热处理的热影响区都出现了再结晶晶界在相同热处理工艺下，不同厚度区域的热影响区显微硬度依然存在不均匀分布现象。

接头母材区经再结晶热处理后，显微硬度较焊态有所提高，经过固溶时效处理的母材显微硬度最高，如图7所示。区别于焊缝区和热影响区，在相同热处理工艺下，不同厚度区域的母材显微硬度基本相同，不均匀分布现象基本消失。说明母材区的显微硬度受热处理工艺影响较大，而电子束焊接工艺对母材区显微组织和力学性能影响不明显。

2.3 热处理对接头拉伸性能的影响

图3 850℃热处理的接头显微组织Fig.3 Microstructureofthejointafter850℃heattreatment

不同热处理工艺下接头的拉伸性能见表2。接头经过再结晶退火后，其接头强度与焊态接头强度相当，变化不大。固溶时效处理的接头强度明显提高，拉伸强度为1108.4MPa，比焊态提升11.3%，屈服强度为1 010.6 MPa，比焊态提升17.2%。对比不同处理工艺的接头延伸率发现，焊态＞再结晶＞固溶时效。经过固溶时效处理的接头延伸率比焊态降低近59%。

2.4 接头断口形貌分析

不同热处理条件下的拉伸试样断口形貌如图8所示，发现母材及焊态的试样断口都呈现典型的韧窝形状。再结晶退火的拉伸断口出现剪切韧窝形状，固溶时效热处理为典型的韧脆混合断裂形貌。

3 结论

（1）焊后不同热处理工艺对100 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头显微组织有影响。经过850℃再结晶退火后，焊缝中部出现β相晶界，晶内为针状马氏体组织。热影响区熔合线附近出现β相等轴晶界，针状α′相变少，为细片层β转变组织。经920℃＋2h和500℃＋4h固溶时效处理后，焊缝中部的β相晶界明显可见，焊缝底部出现断续分布的β相晶界。热影响区熔合线附近的β相等轴晶界明显可见。

（2）经过850℃再结晶退火热处理的接头焊缝区、热影响区、母材区显微硬度较焊态略有提高，而经过更高温920℃固溶时效热处理的接头焊缝区、热影响区及母材区的显微硬度提高最明显。在相同热处理工艺下，不同厚度区域的接头显微硬度变化有所不同。

（3）接头经过再结晶退火后，其接头强度与焊态接头强度相当。固溶时效处理的接头拉伸强度1108.4MPa，比焊态提升11.3%；屈服强度1010.6MPa，比焊态提升17.2%，但接头延伸率比焊态降低近59%。

图4 固溶时效后的接头显微组织Fig.4 Microstructure of the joint after solution and aging treatment

图5 不同热处理对接头焊缝区硬度的影响Fig.5 Micro hardness of WZ after different heat treatment

图6不同热处理对热影响区硬度的影响Fig.6 MicrohardnessofHAZafterdifferentheattreatment

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图7 不同热处理对母材区硬度的影响Fig.7 Micro hardness of BM after different heat treatment

表2 接头拉伸性能Table 2 Tensile properties of the joint

[4]雷家峰，马英杰，杨锐，等.全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术[J].工程研究——跨学科视野中的工程，2016，8（2）：179-184.

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Effect of heat treatment on mechanical properties of welded joint of electron beam welding for TC4 titanium alloy with 100 mm thickness

FANG Weiping1，LI Xiaohui2，ZHANG Yupeng1，LUO Ziyi1，YU Chen1
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Guangdong Welding Institute（China Ukraine E.O.Paton Institute of Welding），Guangzhou 510650，China；2.Guangdong Institute of Materials and Processing，Guangzhou 510650，China）

The welded joints of TC4 titanium alloy plates with thickness of 100 mm are obtained after electron beam welding.Th welded joints are divided into three groups.The first group is treated with 850 ℃ recrystallization annealing treatment，the second one i treated with 920℃＋2 h and 500℃＋4 h solid solution and ageing heat treatment and the third one maintains welded state.Th microstructure，micro-hardness and tensile properties of different joints are evaluated.The results show that after recrystallizatio annealing treatment,the β phase boundaries begin to appear in the middle part of the welds，acicular α'phase reduces near the fusio lines in the heat affected zone，and equal axis β phase boundaries begin to appear.After solid solution and ageing heat treatment，the phase boundaries clearly appeared in the middle and bottom parts of the welds，the equal axis β phase boundary is clearly visible nea the fusion lines in the heat affected zone.The mechanics performance testing shows that the micro-hardness of weld zone，heat affecte zone and base metal zone of second group joints are all significantly higher than that of the third group joints，the tensile strength o second group joints increases by 11.3%and its yield strength increases by 17.2%，but its elongation reduces nearly 59%.

large-thickness titanium alloy；electron beam welding；heat treatment；mechanical properties

图8 不同热处理条件下的拉伸断口形貌Fig.8 Tensile fracture morphology of the joint after different heat treatment

TG457.19

A

1001－2303（2017）06－0082-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.18

2017-03-21

广东省科技项目（2012A061400011，2015B050502008，2016B070701025）；攀钢横向项目

房卫萍（1983—），女，工程师，硕士，主要从事焊接工艺技术研究及工程化应用工作。E-mail：fwpln@163.com。

本文参考文献引用格式：房卫萍，黎小辉，张宇鹏，等.热处理对100 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头性能的影响[J].电焊机，2017，47（06）82-87.