航空造船生物医疗用TA2板材焊接接头组织及性能研究

前言

钛及其合金由于具有密度小、比强度高、良好的塑性和韧性及优异的耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、航海造船、车辆工程、生物医疗、石油化工等行业[1-5]。优良的力学性能和耐腐蚀性能使得TA2在石化行业备受青睐，在热交换器及各种化学反应容器等产品上得到了有效的应用[6-8]。由于TA2存在易吸氢、易氧化、不易焊接等特点[9-11]，目前大多数研究主要集中在焊接方式的选择和焊接工艺控制两方面，而对于焊接接头的微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的研究较少，因此深入研究TA2焊接接头的微观组织、力学性能及电化学耐蚀性能，可更好的为涉及TA2材质的工业化应用及产品生产制造提供理论借鉴及工程应用参考。

1、试验材料与方法

1.1试验材料

试验用母材选取厚度为10mm的TA2试板，焊材选用焊丝ERTA2ELI，材料化学成分详见表1。

1.2焊接方法及工艺参数

装配前用化学试剂（VHF∶VHNO₃∶VH₂O=4∶17∶79）对TA2试板及焊丝ERTA2ELI进行酸洗，用水清洗干净。焊前使用无水乙醇再次对TA2试板及焊材进行擦拭，采用TIG焊方法进行焊接，焊接过程中采用接触式测温仪对试件进行测温，保证试件最大层道间温度≤120℃，钨极直径Φ2.4mm，电流衰减时间4~5s，保护气体：≥99.99%Ar，保护气体压力为3MPa（保护气体、尾部保护气体）及5MPa（背面保护气体），提前通气时间10~15s，延后停气时间25~30s，其余焊接工艺参数详见表2。

1.3试验方法

TA2试板在焊接完成后进行射线检测（RT）及渗透检测（PT），未发现缺陷。使用WE-60液压万能材料试验机进行拉伸试验及弯曲试验，使用Kroll试剂对金相试样进行腐蚀，使用AXIOVERT200MAT金相显微镜对焊接接头微观组织进行观察，使用NI500金属摆锤冲击试验机进行焊接接头的冲击试验，使用HVS-50维氏硬度计测试焊接接头硬度，载荷98N，加载时间15s。使用Apollo300扫描电镜观察冲击试样断口形貌。使用RST5202F电化学工作站，测定母材和焊接接头分别在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的极化曲线，得出自腐蚀电位E_corr、自腐蚀电流密度I_corr及钝化电流密度I_pass，电极采用三电极法，参比电极为标准饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，试样为工作电极，试验温度为20℃，动电位扫描，扫描速度为0.15mV/s。图1所示为焊接接头示意图及截面宏观形貌。

2、试验结果与分析

2.1力学性能

2.1.1抗拉强度及弯曲性能

根据NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》，分别对焊接接头进行拉伸试验及弯曲试验。拉伸试验结果显示，试样断裂位置均为焊缝，焊接接头抗拉强度分别为492MPa、480MPa，满足母材的抗拉强度要求（≥400MPa）。焊接接头的弯曲试验压头直径为100mm，弯曲角度为180°，面弯及背弯各2个试样拉伸结果均合格，无裂纹，说明焊接接头弯曲性能良好。

2.1.2冲击性能

为了研究焊接接头的冲击性能，根据GB/T229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对其进行了室温冲击试验，试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm，结果如图2所示。

从图2可看出，母材和热影响区平均吸收能量为140~150J，母材的平均冲击吸收能量高于热影响区平均冲击吸收能量，焊缝区域的平均冲击吸收能量最低，为90~100J。

焊接接头冲击试样断口形貌如图3所示。从图3（a）中可看出，TA2母材的断口韧窝数量多且尺寸小。从图3（b）中发现，热影响区的断口也存在大量的韧窝，但相比母材区域而言，该区域的韧窝尺寸增大。相比前两个区域，焊缝区的韧窝数量大幅度减少，韧窝的深度变浅，同时存在一定量的解理小平面，如图3（c）所示。

2.1.3硬度

对焊接接头的不同区域进行硬度测试，结果如图4所示。从图4中可看出，焊缝区域的硬度最大值为178HV1.0，高于热影响区及母材区域的硬度最大值，母材区域的硬度最低，焊接接头最大硬度值与最小硬度值的差值为14HV1.0。

2.2显微组织

对焊接接头进行微观组织观察，结果如图5所示。从图5（a）可看出，TA2母材的组织为等轴α相，晶粒尺寸较小，分布均匀。从图5（b）可发现，热影响区组织为粗大的α相和不规则锯齿状α相。相比母材晶粒的粗化，在一定程度上恶化了该区域的性能。在图5（c）中，发现焊缝组织中存在针状马氏体（α´相），该马氏体是高温β相以很快的冷却速度冷却下来，以非扩散形式转变成的过饱和α相，这种马氏体不具备钢中马氏体那样显著的强化作用，但也具有一定的强化作用。因此，马氏体的存在使得焊缝区域的冲击性能下降，硬度升高。

2.3电化学腐蚀

为研究TA2母材和焊接接头分别在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的电化学腐蚀性能，对TA2母材和TA2焊接接头分别进行电化学腐蚀试验，极化曲线如图6所示，自腐蚀电位E_corr、自腐蚀电流密度I_corr及钝化电流密度I_pass见表3。

从图6可看出，TA2母材和TA2焊接接头均具有较宽的稳定钝化电位，说明钝态稳定，在两种溶液中均具有良好的耐腐蚀性。从表3可看出，在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材自腐蚀电位E_corr大于TA2焊接接头的自腐蚀电位E_corr，对于自腐蚀电流I_corr而言，TA2母材小于TA2焊接接头，TA2母材钝化电流密度I_pass小于TA2焊接接头的钝化电流密度I_pass。相比自腐蚀电位Ecorr及自腐蚀电流密度I_corr，钝化电流密度I_pass是更为重要的参数，钝化电流密度I_pass越小，钝化膜对腐蚀介质的屏蔽能力越强，钝化膜的溶解速度越小，耐腐蚀性能越强[12-13]，同时自腐蚀电位E_corr越负，自腐蚀电流I_corr越大，材料发生电化学腐蚀的倾向越大[14-15]，因此可得出，在上述两种溶液中，TA2母材电化学腐蚀性能优于TA2焊接接头的电化学腐蚀性能。相比母材，热影响区α相晶粒粗大，焊缝区域存在针状马氏体，晶界缺陷较多，容易先发生腐蚀，最终导致TA2母材电化学腐蚀性能优于TA2焊接接头的电化学腐蚀性能。

3、结论

（1）TA2板材焊接接头经无损检测未发现焊接缺陷，焊接接头抗拉强度为492MPa、480MPa；弯曲性能良好。

（2）TA2母材和热影响区平均吸收能量140~150J，母材的平均冲击吸收能量高于热影响区平均冲击吸收能量，焊缝区域平均冲击吸收能量最低，90~100J；TA2焊接接头中焊缝区域的最高硬度值178HV1.0，高于热影响区及母材区域的最高硬度值，母材区域的硬度值最低，164HV1.0。

（3）TA2母材组织为等轴α相，热影响区组织为粗大的α相+不规则锯齿状α相，焊缝组织中存在针状马氏体（α´相）。

（4）相比TA2热影响区，TA2母材区的冲击断口韧窝数量较多且尺寸较小。焊缝区的韧窝数量少，深度浅，同时存在一定量的解理小平面。

（5）在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材电化学腐蚀性能优于TA2焊接接头电化学腐蚀性能。

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作者简介：高成龙 （1988—），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事电站锅炉、压力容器及核设备的焊接工艺研究工作。

收稿日期：2023-08-08

修改返回日期：2024-03-15

编辑：袁雪婷