序言

鈦合金具有密度低、強度大、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)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(yōu)良的抗蠕變性能[3]，已成功應(yīng)用于航空發(fā)動機的壓氣機盤和機閘等部件[4]。目前國內(nèi)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(xiàn)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(yīng)力等焊接缺陷，嚴重制約了鈦合金焊接件在航空航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用[7]。

慣性摩擦焊(inertiafrictionwelding，IFW)作為一種先進的固相連接技術(shù)，憑借其優(yōu)質(zhì)、高效、綠色、節(jié)能的工藝特點在航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(chǎn)生的熱量使焊接界面金屬發(fā)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?zé)崴苄誀顟B(tài)而未發(fā)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(yōu)異的綜合力學(xué)性能[11]，已成為一些先進航空發(fā)動機關(guān)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(shù)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(shù)下的焊接接頭的顯微硬度、室溫及高溫強度等力學(xué)性能進行檢測，分析TA19鈦合金的慣性摩擦焊接性，并針對優(yōu)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(xué)成分如表1所示。TA19鈦合金為典型的雙態(tài)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(shè)備為哈爾濱焊接研究院有限公司自主研發(fā)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(zhuǎn)速和頂鍛壓力兩個關(guān)鍵焊接工藝參數(shù)分兩水平進行焊接正交試驗，研究焊接工藝參數(shù)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(xué)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(fā)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(huán)境下進行工作，為檢測接頭的焊接質(zhì)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(qū)域的組織類型及存在形態(tài)。采用Q10型顯微硬度儀測試各接頭不同區(qū)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(jié)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(shù)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(qū)域有毛刺出現(xiàn)。但TA19鈦合金慣性摩擦焊接頭飛邊發(fā)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(guān)部件的焊接質(zhì)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(tài)，外界氣體無法進入界面區(qū)，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(zhì)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(cè)5.6mm范圍內(nèi)進行硬度測試，其四種不同焊接工藝參數(shù)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(shù)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(cè)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(qū)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(guān)于焊縫中心呈對稱分布。焊縫區(qū)的高硬度主要是由于焊縫區(qū)的快速升溫及降溫使得焊縫中心形成了細小的再結(jié)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(tài)再結(jié)晶越不充分，馬氏體α'相的數(shù)量驟減，顯微硬度也出現(xiàn)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(qū)域顯微硬度最高，其次是2號接頭，1號接頭焊縫中心區(qū)的顯微硬度最低。3號接頭焊縫中心區(qū)域顯微硬度最高主要是由于該接頭對應(yīng)工藝參數(shù)的初始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成了大量的馬氏體α'相而存在焊縫區(qū)。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(xiàn)了動態(tài)再結(jié)晶過程，因此焊縫區(qū)的馬氏體α'相數(shù)量減少，顯微硬度降低。但四種焊接工藝參數(shù)下的接頭焊縫區(qū)顯微硬度都要遠高于母材區(qū)，而且焊縫區(qū)的晶粒尺寸也更小，具有更好的力學(xué)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(shù)下的接頭室溫拉伸斷后試樣及檢測結(jié)果分別如圖5和表4所示。

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，四種工藝參數(shù)下的焊接接頭拉伸試樣均斷裂于遠離焊縫中心的母材區(qū)，而未出現(xiàn)在焊縫區(qū)或熱力影響區(qū)，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(qū)。主要是由于焊接過程中焊縫區(qū)及熱力影響區(qū)形成了細小的再結(jié)晶組織馬氏體α'相，提高了焊縫區(qū)及熱力影響區(qū)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(jīng)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(qū)的抗拉強度。

TA19鈦合金作為航空發(fā)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(zhì)量能夠很好的滿足航空發(fā)動機TA19鈦合金轉(zhuǎn)子部件對焊接接頭性能的要求。

2.3.2高溫拉伸

航空發(fā)動機高壓壓氣機轉(zhuǎn)子部件需要在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作，其工作溫度一般在450~550℃范圍內(nèi)[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(jié)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(qū)，焊縫區(qū)均未出現(xiàn)明顯的塑性變形而處于完好狀態(tài)，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(qū)主要由過飽和β相及馬氏體α′相構(gòu)成，其中馬氏體α′相對提高焊縫區(qū)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(qū)得到了細小的動態(tài)再結(jié)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(qū)也得到了晶粒細小的β相及一定數(shù)量的馬氏體α′相，對提高熱力影響區(qū)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(qū)域的強度分布情況。

TA19鈦合金中的α相穩(wěn)定元素Al增加了固溶體中原子間的結(jié)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(qū)及熱力影響區(qū)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(chǔ)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(fā)動機相關(guān)部件的服役環(huán)境要求。

2.4焊接接頭組織分析

TA19鈦合金作為航空發(fā)動機用耐高溫結(jié)構(gòu)材料，需要高質(zhì)量的焊接接頭才能滿足轉(zhuǎn)子部件高溫、高壓及高轉(zhuǎn)速的苛刻條件要求。通過對焊接接頭的初步力學(xué)性能檢測可知，TA19鈦合金的慣性摩擦焊接頭質(zhì)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(guān)部件的焊接工作。因此，在對接頭進行力學(xué)性能檢測的基礎(chǔ)上，針對工藝優(yōu)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(qū)域：焊縫區(qū)(WZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、母材(BM)。其接頭焊縫區(qū)熔合線寬約為70μm，單側(cè)熱力影響區(qū)寬度約為1500μm，單側(cè)熱影區(qū)寬度約為1000μm。圖中1為焊縫區(qū)熔合線。

圖8a為接頭焊縫區(qū)組織。焊縫區(qū)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(qū)溫度應(yīng)在1200℃左右，遠高于α→β相轉(zhuǎn)變溫度，具有hcp晶格的初生α相和板條狀次生α相全部轉(zhuǎn)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(fā)生流變及再結(jié)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(qū)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(zhuǎn)變?yōu)棣痢漶R氏體相，晶內(nèi)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(qū)組織。熱力影響區(qū)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(qū)組織特征具有顯著變化。焊接過程中，因溫度最高的焊縫區(qū)熱量逐漸向兩側(cè)傳導(dǎo)，使得焊縫區(qū)兩側(cè)母材溫度升高，α相向β相轉(zhuǎn)變，由于該區(qū)的溫度低于α→β相轉(zhuǎn)變溫度，部分初生α相被保留下來，在焊接壓力作用下經(jīng)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(qū)溫度的降低，晶粒內(nèi)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(qū)組織。通過對圖8c的觀察，熱影響區(qū)組織類型及存在狀態(tài)在焊接過程中未發(fā)生顯著變化，晶粒尺寸為15~50μm不等。經(jīng)過焊接熱循環(huán)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(tài)發(fā)生了一定程度變化，部分晶粒內(nèi)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(fā)生α′馬氏體轉(zhuǎn)變。另外，部分平行分布的次生α相轉(zhuǎn)變成為交叉分布。

3、結(jié)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(qū)。

(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(qū)組織由少量初生α相+馬氏體α′+少量晶界β相；熱力影響區(qū)由變形初生α相+馬氏體α′+少量晶界β相；熱影響區(qū)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(fā)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(tǒng)的研究工作. 已發(fā)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