引言

TC4鈦合金是一種常見的α+β雙相鈦合金，具有比強度高、韌性強、耐腐蝕性優異及低密度等優勢，在航空航天尤其是飛機承力結構上得到了廣泛的應用［1-4］。焊接作為一種可靠的連接方式，滿足了我國航空制造對于構件輕量化、整體化制造的需求。真空電子束焊接具有能量密度高、焊縫深寬比大、焊接變形小等特點，非常適合無磁性、焊接性能優良的TC4鈦合金的焊接加工。鈦合金的真空電子束焊技術已應用于F14戰斗機、F22戰斗機、波音787等飛機構件的整體化制造，F22戰機焊縫總長3000in［5-8］。

TC4真空電子束焊后采用熱處理方法進行組織調控，研究人員針對熱處理對接頭性能的影響開展了研究，主要集中在強化熱處理方法。韓鵬［9］等人研究了兩種焊前強化熱處理對70mm厚TC4-DT鈦合金電子束焊接接頭力學性能的影響，結果表明，雙重退火制度下接頭的沖擊強度與母材相當。陳瑋［10］等人研究了Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金電子束焊接接頭焊熱處理后的性能，固溶+時效熱處理更有利于高溫持久壽命。王世清［11］等人研究了不同熱處理工藝對10mm厚的異種鈦合金TC4/Ti60電子束焊接接頭組織和性能的影響，固溶時效后，組織更加均勻，塑性增強。

目前對于TC4鈦合金電子束焊接接頭消除應力退火的研究相對較少。本文采用真空電子束對30mm厚TC4鈦合金進行對接焊，焊后采用兩種消除應力熱處理，研究兩種熱處理對接頭組織和性能的影響，為實際構件生產提供理論依據。

1、工藝試驗

試驗材料為TC4鈦合金板材，規格300mm×100mm×30mm，其化學成分見表１。焊縫沿長度方向，焊縫背面設置尺寸為300mm×15mm×15mm的墊條，采用單面一次穿透焊接。電子束焊接工藝參數見表2，焊后熱處理制度見表3。

2、試驗結果分析

2.1顯微組織分析

焊接接頭宏觀橫截面及取樣方式如圖１所示。

將焊接接頭截面分為上、中、下3層，接頭微觀形貌如圖２所示。同時，對上、中、下３層試件分別截取試樣，經打磨、拋光、腐蝕制成金相樣品，在光學顯微鏡下各區域微觀組織。去應力退火和完全退火狀態下的電子束焊接接頭微觀組織見圖3、圖4，其中-1、-2、-3分別代表第一層、第二層和第三層。焊接接頭BM區主要為等軸α相+板條狀α相與晶間β相組成的雙相組織，HAZ區由初生α相、針狀馬氏體α′相以及板條狀α相+β相的雙相組織組成，WM區主要由大量的針狀馬氏體α′相和少量分布在原始β晶界的α相組成。焊接過程中熔合區溫度最高，超過了β相相變溫度，發生α→β轉變，焊接結束后冷卻速度快，形成馬氏體α′相，距離熔合線越遠，焊接時溫度越低，這種相變越不徹底。由母材逐漸靠近熔合線，等軸α相逐漸發生相變，晶界逐漸模糊，直至形成粗大的β相，冷卻時在β晶界內形成針狀馬氏體α′相，β晶界處α相析出。在HAZ區，焊后冷卻速度相對較慢，β相內形成片狀次生α相。

由圖3、圖4可以看出，沿焊縫深度方向，每一層BM區、HAZ、WM區的組織基本一致，試板沿厚度方向的組織差異性很小。對比兩種熱處理狀態。在BM區，去應力退火狀態下組織中的雙相組織（板條狀α相+晶間β相）的數量較完全退火狀態下組織中的多，完全退火狀態下等軸α相晶粒更大，體積占比更大。在HAZ，去應力退火狀態下的初生α相晶界模糊，完全退火狀態下的組織更接近于BM區。在WM區，去應力退火狀態下β相晶界比較明顯，整體更接近于魏氏體組織，完全退火狀態下，針狀馬氏體α′相排列更加規律，數量更多，長寬比更小。

兩種熱處理溫度都在等軸α相向β相的轉變點之下，BM區均是典型的雙相組織。完全退火溫度更高，更有利于α相的生長，α相球化程度更高，BM區等軸α相晶粒更加粗大，HAZ區更接近BM區組織，WM區馬氏體α′相數量增多，長寬比更小。

2.2拉伸試驗結果分析

TC4電子束焊接接頭分2層進行常溫拉伸試驗，每層3個試樣。拉伸試驗按GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，拉伸試驗尺寸如圖5所示。兩種熱處理狀態下的電子束焊接接頭室溫拉伸結果如圖6、圖7所示，試樣均斷裂于母材區，為韌性斷裂。去應力退火狀態下，母材的抗拉強度平均值為935.81MPa，接頭第一層和第二層的平均抗拉強度分別為944.73MPa、935.81MPa，平均屈服強度分別為890.67MPa和883.86MPa，強度達到母材的100%。完全退火狀態下，第一層和第二層的平均抗拉強度分別為953.64MPa、953.63MPa，平均屈服強度為916.25MPa、914.45MPa，強度高于母材。

對比兩種熱處理狀態，完全退火狀態下接頭的平均拉伸強度明顯高于去應力退火狀態下接頭的平均拉伸強度。結合顯微組織分析，可能原因是去應力退火狀態下接頭中BM區的雙相組織數量較多，各相排列比較彌散，抗拉能力相對較弱。

2.3沖擊結果分析

TC4電子束焊接接頭分2層進行室溫沖擊試驗，每層2個區域（HAZ和WM），每個區域3個試樣。沖擊試驗按GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》進行，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，沖擊試樣尺寸示意如圖8所示。

沖擊試驗結果如圖9所示，試樣均為韌性斷裂。去應力退火態母材的平均沖擊功為34.59J。去應力退火狀態下，接頭WM區第一層沖擊功為40.8J，第二層沖擊功較低（34.5J），為母材的99.7%。熱影響區第一層沖擊功為36.5J，為母材的105.4%，第二層沖擊功為36.3J。完全退火狀態下接頭WM區第一層沖擊功為31.8J，第二層沖擊功為26.4J，為母材沖擊功的76.3%，HAZ區第一層沖擊功為36.0J，第二層沖擊功為32.3J，為母材的93.4%。對比兩種熱處理狀態，完全退火狀態下的接頭沖擊功相比去應力退火狀態更小，韌性更差。WM區的沖擊功差別更加明顯，HAZ區差距較小。結合顯微組織分析，在WM區，與去應力退火態相比，完全退火接頭中的針狀馬氏體α′相更多，組織更加均勻，馬氏體α′相為脆性組織，隨著其數量增多，長度變短，排列規則化，抗沖擊性能下降。在HAZ區，兩種熱處理狀態下接頭的組織組織一致，馬氏體α′相都較少，完全退火狀態下組織更加均勻，等軸α相晶界更明顯，抗沖擊性能較弱，但差別不明顯。

3、結論

針對30mm厚TC4鈦合金電子束焊接接頭，研究了在不同焊后退火熱處理制度下接頭的組織和力學性能。

（1）兩種熱處理狀態下，接頭BM區均是典型的等軸α相和板條狀（α+β）相的雙相組織。完全退火溫度更高（750℃），α相球化程度更高，BM區等軸α相晶粒更加粗大，HAZ區更接近BM區組織，WM區馬氏體α′相數量增多，長寬比更小。

（2）750℃×2h完全退火狀態下接頭的平均拉伸強度明顯高于去應力退火狀態下（600℃×4h）接頭的平均拉伸強度。可能原因是去應力退火狀態下接頭中BM區板條狀（α+β）相數量較多，排列比較彌散，抗拉能力相對較弱。

（3）完全退火狀態下接頭的沖擊功相比去應力退火狀態更小，韌性更差。完全退火狀態下接頭中針狀馬氏體α′相更多，組織更加均勻，抗沖擊性能更差。

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