摘要：采用激光焊焊接Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)β鈦合金，研究熱處理對接頭顯微組織和拉伸性能的影響。由于激光焊接的冷卻速率可達(dá)553 K/s，遠(yuǎn)大于β相向其他物相轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率，所以焊縫顯微組織由柱狀晶形態(tài)的單一β相構(gòu)成。在近熱影響區(qū)，初生α相和次生α相均轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相，且β相晶粒尺寸增大;在遠(yuǎn)熱影響區(qū)，尺寸較大的初生α相得以保留。780 ℃/1 h/WQ熱處理后，焊縫中生成厚度約為150～350 nm、長度約為1～3 μm短棒狀α相，焊接頭強(qiáng)度和延伸率有所提高;780 ℃/1 h/WQ+500 ℃/6 h/FC熱處理后，焊縫中生成厚度約為30～40 nm，長度約為150～300 nm的α相，接頭強(qiáng)度進(jìn)一步提高，但斷裂發(fā)生在彈性變形階段。

　　關(guān)鍵詞：激光焊接;β鈦合金;熱處理;組織性能

　　0 前言

　　鈦合金憑借其比強(qiáng)度高、耐腐蝕和抗氧化性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，含有較多β相穩(wěn)定元素(如Mo、V、Fe)的β鈦合金越來越受到重視[1-2]。目前國際上的β鈦合金主要有BT22、Timetal555等，國內(nèi)的Ti-1300、TB8等β鈦合金也逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，走向?qū)嶋H應(yīng)用。

　　在生產(chǎn)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的過程中不可避免的會涉及到焊接工藝，高效可靠的焊接工藝對推進(jìn)β鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有積極意義。目前，針對β鈦合金的相關(guān)研究主要集中在材料的成分設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等方面[3-5]，β鈦合金焊接方面的研究則相對滯后。Zhenglong Lei等[6]研究了TB8合金激光掃描焊接接頭顯微組織特征，并對比了不同焊后熱處理制度下的組織和性能演變規(guī)律。焊縫在未熱處理狀態(tài)下其顯微組織僅由單一β相構(gòu)成，在550 ℃/1 h/空冷熱處理后接頭具有最佳室溫和高溫拉伸性能。馬權(quán)等人[7]研究了熱處理對Ti-1300β鈦合金電子束焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律。結(jié)果果發(fā)現(xiàn)，焊縫物相主要由β相構(gòu)成，α相的生成數(shù)量極少，焊前熱處理對接頭物相、性能的影響不大，焊后熱處理過程中有α相生成，通過調(diào)整熱處理參數(shù)可調(diào)節(jié)α相的數(shù)量、尺寸等，獲得不同的拉伸性能。

　　文中針對Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)β鈦合金的激光焊接特性進(jìn)行研究，探索不同熱處理參數(shù)對接頭組織和性能的影響規(guī)律，對該合金的開發(fā)完善以及后續(xù)焊接工藝的制定具有參考作用。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

　　實(shí)驗(yàn)所采用的β鈦合金Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr(wt.%)為鍛材。采用線切割方法制備成厚2 mm的薄片。焊接實(shí)驗(yàn)前采用磨床加工除掉樣品表面線切割痕跡，經(jīng)過酸洗、干燥后進(jìn)行焊接。

　　激光焊接示意如圖1所示，具體工藝參數(shù)為：激光功率1 200 W，焊接速度1.0 m/min，離焦量0 mm，正面保護(hù)氣流量15 L/min，背面保護(hù)氣流量5 L/min。考慮到焊縫區(qū)域主要由β相構(gòu)成，選取焊后熱處理參數(shù)如表1所示，通過HT1固溶處理和HT2固溶時(shí)效處理后能夠獲得不同尺寸、數(shù)量的α相，從而對比研究兩種熱處理參數(shù)下顯微組織和性能的變化規(guī)律。

　　金相試樣和拉伸試樣均沿垂直于焊縫方向取樣。金相試樣在打磨拋光后采用Kroll試劑腐蝕，其具體比例為60%H2O+35%HNO3+5%HF。顯微組織分析分別在掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)上進(jìn)行，其具體型號分別為FEI Inspect F50、JSM-7800和FEI Tecnai G2 F20。在Oxford Instrumens C-nano上進(jìn)行EBSD分析。在WD-5型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)。

　　2 分析與討論

　　2.1 接頭焊態(tài)組織分析

　　Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金激光焊接接頭形貌的EBSD分析結(jié)果如圖2所示。可以看出，焊縫由柱狀晶形態(tài)的β相構(gòu)成，其形成原因是：激光焊接能量集中，在熔池中會形成較大的溫度梯度，β相晶粒沿著溫度梯度最大的方向生長，最終形成柱狀晶。在焊縫區(qū)域未見α相生成。當(dāng)β鈦合金中Mo當(dāng)量達(dá)到或超過10%時(shí)，可以獲得100%的β相[8]。Mo當(dāng)量計(jì)算公式為[9]：

　　根據(jù)式(1)計(jì)算出Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金的Mo當(dāng)量為10%。已有研究結(jié)果顯示，在β鈦合金中，當(dāng)冷卻速率大于3 ℃/s時(shí)，可以有效抑制β相向其他物相轉(zhuǎn)變，進(jìn)而得到100%的β相組織[10]。激光焊接的冷卻速率可以利用式(2)定性計(jì)算[11]：

　　式中 k為熱導(dǎo)率;ρ為密度;Cp為比熱容;V為焊接速度;t為被焊板材厚度;q為激光功率，吸收系數(shù)為0.7;T為熔點(diǎn);T0為室溫，取25 ℃。計(jì)算涉及的部分熱物理參數(shù)來自Ti-55531合金的相關(guān)參數(shù)[12]，如表2所示。據(jù)此計(jì)算出的冷卻速率約為553 K/s，遠(yuǎn)大于形成單一β相所需的臨界冷卻速率，因此激光焊接焊縫物相為單一β相。

　　熱影響區(qū)形貌EBSD分析結(jié)果如圖3所示。可以看出，母材的晶界類型以2°～15°的小角晶界為主，而熱影響區(qū)以15°～180°的大角晶界為主。小角晶界是在母材制備過程中由于位錯(cuò)運(yùn)動形成的，在塑性加工的合金中較為常見;在熱影響區(qū)，由于受到激光熱源的熱作用發(fā)生晶粒的回復(fù)和再結(jié)晶過程，位錯(cuò)密度大大降低;靠近焊縫的區(qū)域受到熱作用最為明顯，晶粒尺寸會進(jìn)一步長大。與此同時(shí)，熱影響區(qū)中α相的數(shù)量減少，越靠近焊縫的區(qū)域，α相的數(shù)量越少。

　　2.2 熱處理對顯微組織的影響

　　母材原始顯微組織和熱處理后的顯微組織如圖4所示。母材的原始組織如圖4a所示，由基體β相、橢球狀的初生α相以及細(xì)小的片層狀次生α相構(gòu)成。初生α相的形成溫度一般略低于β相轉(zhuǎn)變溫度，而次生α相的形成溫度一般在400～600 ℃之間。HT1熱處理后，其顯微組織如圖4b所示，次生α相的數(shù)量顯著減少，α相形態(tài)為短棒狀。而經(jīng)過HT2熱處理后，其顯微組織如圖4c所示，細(xì)小且彌散分布的α相析出，尺寸較母材原始組織更加細(xì)小。

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