技术 | 热处理工艺对TC18电子束焊焊接接头力学性能的影响

摘要:

采用普通退火、去应力退火、双重退火3种焊后热处理工艺对TC18钛合金电子束焊接接头进行焊后热处理，分别检测母材、接头的拉伸、冲击等力学性能。试验结果表明，采用双重热处理工艺的TC18母材与电子束焊接接头，具有较好的抗拉强度、屈服强度、冲击韧度。

一、前言

TC18是高合金化的α＋β相钛合金，退火状态下的组织中具有数量大致相等的α相和β相，是退火状态下强度最高的钛合金之一。特别适用于制造飞机机身框、梁、起落架结构，是飞机特殊承力部件的优选结构材料。

通常这些特殊承力部件采用较为先进的电子束焊接技术进行连接，但是电子束焊接同样是一个复杂的热物理化学冶金过程，会造成焊接接头部位材料组织和力学组织性能的不均匀性。

为充分发挥TC18钛合金电子束焊接结构件的潜在优越性，需要对电子束焊接接头进行焊后处理。已有的研究表明，焊后热处理会对焊接接头的力学性能产生显著影响。

本文将分别采用3种焊后热处理工艺对TC18电子束焊接接头进行处理，检测其拉伸力学性能、冲击韧度、疲劳寿命，对比分析不同热处理工艺对TC18电子束焊接接头力学性能的影响，这对大规模生产选择能够提高TC18电子束焊接接头力学性能的焊后热处理工艺提供借鉴参考。

二、试验材料及试验方法

2.1  试验材料

TC18钛合金是一种新型材料，其成分为Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe，本试验中TC18钛合金供货状态为双重退火处理。从模锻件上线切割切取200mm×200mm×20mm的焊接试板，进行表面加工，使焊接部位的粗糙度Ra=3．2μm。

2.2   焊接工艺及焊后热处理工艺

试板采用机械打磨的方式去除表面氧化膜，焊前用酒精或丙酮擦洗待焊接部位。本试验采用ZD150－15A型高压电子束焊焊机，电子束焊焊接工艺参数见表1。

焊后，根据HB5484—1991标准，采用X射线探伤检测焊缝内部质量，所有焊缝均达到Ⅰ级焊缝标准。选择多个焊接试样，分别采用普通退火、去应力退火、双重退火热处理工艺进行焊后热处理。

所选择的普通退火工艺：750℃，保温2h，炉冷至350℃，空冷；去应力退火：650℃，保温4h，空冷；双重退火：热处理工艺为835℃，保温2h，炉冷至750℃，保温2h，空冷＋600～630℃，保温4h，空冷。对经过不同热处理的焊接接头，测试母材及接头的拉伸和冲击性能，对获得的数据进行比较分析，优选出合理的焊后热处理工艺，再用该焊后热处理工艺处理一批焊缝，然后进行疲劳性能研究。

2.3  力学性能试样制备

经过热处理的焊缝，根据需要检测的力学性能，分别采用不同标准，截取力学性能检测试样。所有试样取样位置如图1所示，焊缝位于试板中间。

根据GB/T228—2002取拉伸试样并试验；根据GB/T229—2002标准，截取V形缺口标准试样并进行试验；根据HB5287—1996《金属材料轴向加载疲劳试验方法》，加工疲劳试样，整个试验在QBG－100高频疲劳试验机上进行，试验条件见表2。

三、 试验结果及分析

3.1  TC18钛合金接头拉伸力学性能 

对经过不同热处理工艺的TC18电子束焊焊缝，检测其拉伸力学性能，表3为TC18钛合金母材及电子束焊接接头经过不同热处理工艺后的拉伸力学性能数据。

从表3中的数据可以看出，在经过普通退火和去应力退火后，焊接接头的抗拉强度和屈服强度均略低于母材的，断面收缩率和断后伸长率均与母材的相近。双重热处理后，焊接接头的抗拉强度和屈服强度均高于母材的，断面收缩率和断后伸长率均小于母材的。

3.2  TC18钛合金接头冲击韧性

表4为TC18钛合金母材及电子束焊焊接接头经过不同热处理后的冲击性能数据。从表4中可以看出，经双重退火后，母材和焊接接头的冲击韧度均较好，且焊接接头的冲击韧度高于母材的。

通过对TC18钛合金3种热处理制度下的拉伸与冲击性能的试验数据比较和分析，可以看出采用焊后双重退火处理工艺可以保证TC18钛合金电子束焊焊接接头具有较好的综合性能。

3.3  TC18接头疲劳性能及扫描断口分析

对Kt＝1的光滑试样进行应力比为0．1的拉－拉疲劳试验。用成组法测定其S－N曲线，采用升降法测定经107周次后的疲劳极限。经过计算得出，经过1000万次循环试验后，TC18钛合金电子束焊接接头的疲劳强度为490MPa。

表5为TC18钛合金电子束焊接接头疲劳性能数据。TC18钛合金电子束焊焊接接头疲劳试验中，在高应力下，分散性较小，低应力下，有一定的分散性。经过1000万次循环试验后，TC18钛合金电子束焊焊接接头的疲劳强度为490MPa。图2是根据试验数据绘制的S－N曲线。

由图3可以看出，源区位于距试棒表面约0．5mm的内部，点源，源区有约准50μm的小球体，该球体有清晰晶界；起源后向四周扩展，有清晰疲劳扩展棱线，显微观察扩展区有明显疲劳条带；瞬断区约占断口的1/6，为韧窝特征。裂纹的扩展区有明显的疲劳条纹，疲劳条纹细密，晶界对疲劳裂纹的扩展起重要作用。

四   结语

（1）与普通退火和去应力退火的焊后热处理工艺相比，双重退火的热处理工艺可使TC18钛合金电子束焊焊接接头的力学性能得到较大提高。

（2）焊后经过双重退火热处理的TC18钛合金电子束焊焊接接头，在高应力下，疲劳寿命分散性较小；低应力下，有一定的分散性。经过1000万次循环试验后，该接头的疲劳强度为490MPa。