焊后热处理对TA15钛合金厚板焊接接头弯曲性能的影响

钛及钛合金因具有密度小、耐热性好、比强度高等优点，在航空航天、石油化工、化学工业、生物医学等领域得到广泛应用 [1] 。TA15钛合金是一种高Al当量的近α型钛合金，名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V [2-3] 。该合金具有α型和α＋β型钛合金的许多优点，具有中等的室温强度、高温强度，良好的热稳定性和焊接性能 [４] 。 在航空领域，TA15 钛合金板材因具有优良的机械加工性能和焊接性能，尤其适用于大型复杂壁板类零件的制造，而焊接接头的质量评价对于零件最终成形有着极为重要的意义。 弯曲性能是评价TA15钛合金板材焊接接头质量的重要指标，在弯曲变形过程中弯折外侧受到拉应力，弯折内侧受到压应力，板材在拉、压应力的作用下发生弹性和塑性变形，当塑性变形阶段形变量超出板材自身塑性所能承受的最大延伸量时，板材将不可避免地发生开裂。

对于钛合金半成品及其制件，热处理工艺是改善微观组织以提高其力学性能最常用的方法 [5-6] ，本文研究了在相同的冷却方式下，不同加热温度和保温时间的退火处理对TA15钛合金板材焊接接头弯曲性能的影响，通过组织形貌的对比分析以及焊接试片极限弯曲性能的测试确定了最优热处理制度。

1、试验材料及方法

焊接试片的制备使用的是退火状态下TA15钛合金板材，厚度为6mm，其室温力学性能要求如表 1 所示。 采用钨极气体保护焊工艺，以无坡口对焊形式制备焊接试片，焊丝选用 TA0-1纯钛焊丝，接头形式如图 1所示，焊接后力学性能要求如表 2 所示。

焊接后采用不同的热处理制度对焊接试片进行退火处理，试片分组及热处理参数的选择见表 3。 通过焊接接头组织分析以及极限弯曲性能测试，确定最优热处理制度。

2、试验结果及分析

2.1　焊后热处理显微组织

对焊接后以及退火后不同试样的焊缝处进行显微组织观察，未经退火处理焊缝处与基体组织对比如图 2所示。 板材基体为典型的等轴组织，β相均匀分布于α基体内，晶粒沿轧制方向呈现出一定的方向性排列。 焊缝区域是在焊接过程中完全融化的部分，针状α相沿不同方向分布，呈现出网篮状组织的典型形貌 [7-８] ，β相不均匀分布于晶界处，存在一定的偏析。

伴随着焊后冷却过程，针状α相长大到较大尺寸，这种尺寸及形貌的变化是导致焊缝处力学性能较差的直接原因。

对焊接后以及采用不同制度退火后板材的焊缝处显微组织进行观察。 如图 3（ａ）所示，未经过退火处理的焊缝处柱状晶较为粗大，晶界平直，α相呈网篮状分布，β相偏聚于枝晶间。 如图 3（ｂ，ｃ）所示，经750 ℃ ×90min、750 ℃ ×120min 退火处理后，焊缝处依然呈现出明显的网篮状组织。 随着保温时间延长，针状α相长大到较大尺寸。 在退火过程中，焊接应力被进一步消除，但是焊缝组织在退火过程中并未发生实质性的细化，并且较大尺寸针状α相也不利于焊接接头塑性的改善。

如图 3（ｄ）所示，随着退火温度由 750 ℃ 提升至８50 ℃，焊缝处单一柱状晶的均匀化转变逐渐清晰，焊缝组织在这一转变过程中被部分破碎、细化，β 相偏聚的情况明显改善。 由于加热温度始终控制在相变点以下，焊缝组织仍呈现出α相为针状的两相组织，但整体形貌得到了一定的改善。

2.2　极限弯曲试验结果分析

通过开展极限弯曲试验，不断增大弯曲角直至开裂，考察不同退火工艺对板材弯曲性能的改善程度。 根据焊接工艺规范要求，设定弯芯直径为 3Ｔ（Ｔ 为板材试样厚度），弯曲角度的选择为在满足规范要求30°的基础上，对弯曲30°时未开裂的试样继续增大弯曲角度直至开裂，弯曲后试样形貌如图４ 所示，弯曲结果统计如图5 所示。

焊接状态下试样弯曲性能较差，弯曲至标准规定的 21°即发生开裂，开裂发生在焊缝区域，主要原因是TA15 钛合金板材试样在焊接过程中由于热输入较大，在焊缝处形成典型的粗大柱状晶组织，整体硬度增加、塑性下降，导致焊接接头处塑性较差，弯曲性能较差。经 750 ℃ ×90min 和 750 ℃ ×120min 退火处理后，弯曲性能改善程度不明显，极限弯曲角为18.7°～22.9°，主要原因是退火处理后组织未发生明显转变，试样整体塑性未得到改善，但焊接应力的消除在一定程度上对综合力学性能的提升做出了贡献。 经８50 ℃ ×120min 退火处理后，试样极限弯曲角提高至 23.5° ～25.5°，弯曲性能得到一定提高，试样具备了一定的弯曲富余量。

不同退火状态下TA15钛合金板材焊接试样的极限弯曲性能测试结果进一步印证了焊接接头处的组织演变规律，表明退火处理后组织的改善是焊接接头弯曲性能提升的直接原因。

3、结论

1）TA15钛合金板材焊接接头处为典型的柱状晶组织，针状α相沿不同方向分布，焊接接头塑性较差，弯曲性能较差。

2） 采用一般的焊后稳定化退火处理（750 ℃ ×90min和 750 ℃ ×120min）可以起到消除焊接应力的作用，但焊接接头处组织性能没有明显改善，未能使弯曲性能得到有效提升。

3） 采用８50 ℃ ×120min 炉冷的退火工艺对焊后试样进行热处理，焊接接头组织的单一柱状晶得到了一定的细化，β 相分布更为均匀，试样平均弯曲性能突破2４°。

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