厚板TC4钛合金电子束焊接头组织演变及力学性能

电子束焊因其真空环境、能量密度大、焊缝深宽比大等优点,被广泛应用于钛合金焊接。系统研究了30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头组织演化及其力学性能。结果表明:熔合区中部由粗大原始β柱状晶组成,内部为αGB、块状α集束和部分网篮组织构成的混合组织,靠近热影响区的熔合区由等轴原始β晶粒构成;热影响区存在较显著的组织不均匀性,随着距熔合区距离增大,β转变组织(次生α片层+残余β相)含量逐渐降低,初生α相含量逐渐升高;熔合区平均显微硬度比母材高约50 HV,接头抗拉强度达到906 MPa,接头强度系数达到96%,拉伸断裂位置位于熔合区内。     

TC4钛合金焊接接头中压电子束局部热处理技术

电子束局部热处理技术是对整体热处理的一种有益补充,针对TC4钛合金进行中压电子束局部热处理研究。电子束局部热处理后TC4钛合金接头的组织形态与电子束焊态基本相同,但焊缝区的晶粒组织略有细化,焊缝区显微硬度也得到了改善,电子束局部热处理后焊接接头的拉伸力学性能均高于焊态。优化的电子束局部热处理工艺完全可以使TC4钛合金接头的组织力学性能超过焊态。     

TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能

通过室温拉伸、室温缺口拉伸、显微硬度以及金相分析对TC4钛合金电子束焊接接头的显微组织和性能进行了研究。试验结果表明，用电子束焊接TC4钛合金可获得性能良好的焊接接头，其接头的抗拉强度不低于母材，焊缝的缺口敏感系数均小于1。焊缝区和热影响区的硬度均高于母材，焊缝组织是由较粗大的原始β相转变而成的α′相，即针状马氏体，热影响区组织为均匀且细小的针状马氏体和原始α相的混合物。     

铸态TC4钛合金电子束焊接头组织与性能研究

文中分别采用6种不同电子束焊工艺对厚4 mm和厚6 mm TC4钛合金板进行对接焊,分析了电子束焊接头各区域的显微组织、显微硬度、室温拉伸及冲击韧性等力学性能。结果表明：TC4焊缝区主要为粗大的柱状晶组织,晶粒内部存在交错分布的针状α′马氏体和β相;4 mm和6 mm板的硬度最大值出现在焊缝区,焊缝区冲击韧性较差,4 mm板中1^#试样的冲击韧度最大,约为29.33 J/cm²;6 mm板中2^#试样的冲击韧度最大,约为20.08 J/cm²。     

TC4钛合金低压电子束熔丝沉积层组织与性能

对TC4钛合金进行了低压电子束熔丝沉积试验,探究了该方法的可行性,并分析了沉积层数对微观组织和性能的影响. 结果表明,在加速电压为10 kV的低压时也可完成TC4钛合金的多层熔丝沉积. 多层沉积之后得到的沉积件的平均显微硬度在260 HV左右,只有沉积件底部条带状纹理聚集处的显微硬度接近退火态TC4基材的288 HV. 条带状纹理产生于多层沉积的过程之中,β相晶粒受热循环影响而发生了β → α + α′ + β的转变,其中硬度较高的网篮状α′相与片状的α相组成了条带状纹理,该显微组织的特点是随着与基板距离的增加,网篮状组织逐渐融入片状组织. 沉积件的拉伸断裂形式为韧性断裂,最高抗拉强度为862 MPa,略低于国家标准,这是因为在多层沉积的沉积件中β柱状晶会变得巨大,同时还会出现等轴晶,晶粒的巨大化使得沉积件的抗拉性能出现了下降.     

7 mm厚TC4钛合金电子束焊接头组织和性能

采用真空电子束焊对7 mm厚TC4钛合金板进行焊接,利用光学显微镜对焊接接头显微组织进行表征,分析不同区域显微组织,通过显微硬度、拉伸试验、冲击试验、弯曲试验对力学性能进行测试,借助扫描电镜对拉伸、冲击断口形貌进行观察,对焊接接头显微组织演变规律和性能进行研究。结果表明,真空电子束焊焊接接头成形良好,TC4钛合金母材组织由α相和β相组成,焊缝区组织由原始的β相转变而成α′相（针状马氏体）,为粗大的柱状晶组织,热影响区组织由均匀且细小的针状马氏体α′相及原始的α相和β相组成;焊缝区显微硬度高于热影响区和母材区,从焊缝顶部到根部显微硬度逐渐下降;焊接接头抗拉强度高于母材抗拉强度;V形缺口在焊缝区的冲击试样具有较好的韧性。     

大厚度TC21钛合金电子束焊接试验

对56mm厚TC21钛合金进行了电子束对接试验,对接头显微组织和力学性能进行了研究.结果表明,接头焊缝区组织形态以柱状β晶粒为基体,针状的马氏体弥散其中;热影响区从焊缝到母材分为三个区域,依次为等轴再结晶β晶粒区、片状和针状а相形成的魏氏组织区以及片状α相聚集长大的区域;熔合区内柱状晶与等轴晶联生.接头强度达到母材水平,断裂发生在母材内,接头厚度方向性能一致.接头塑性损失较大,只达到母材的50%左右.接头焊缝区硬度最高,其次是热影响区的等轴晶区和魏氏组织区,而热影响区内片状α相聚集长大的区域硬度值最低.

Abstract：

Electron beam welding of TC21 56 mm titanium alloy was carried out. The microstructure and the mechanical properties of welded joints were analyzed and tested. The results showed that the weld zone consisted of the columnar β gains, and in which the transgranular acicular α' martensite were dispersedly distributed. HAZ can be divided into three parts from base metal to weld zone, which are the equiaxed recrystallized β grain zone, Widmanstaten structure zone formed by lamellar and aeicular α phases and lamellar a phase coarsening zone. Fusion zone consists of the adnate columnar and equiaxed grains. Tensile strength of joints reaches to that of base metal and the failure appears in the base metal. The mechanical properties are uniform along the vertical direction. Plasticity in the welded joint is greatly decreased and only up to 50% of that of the base metal. The microhardness in weld zone is the highest, and that of the equiaxed grain zone and Widmanstaten structure zone in HAZ is higher, and the microhardness in columnar a phase coarsening zone is the lowest.     

TC4-DT钛合金电子束焊接接头性能研究

对40 mm厚TC4-DT钛合金自由锻件进行焊接。通过对焊接接头显微组织分析及拉伸、冲击等测试,研究了该合金电子束焊接接头的相关性能。经研究发现:TC4-DT锻件具有良好的焊接工艺性能,焊缝为网篮组织,该合金电子束焊接接头的拉伸强度与锻件相当,但冲击韧性与锻件相比略低。     

TC4钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征

阐明了TC4钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征,从热力学角度分析了TC4钛合金电子束焊接接头在不同的热处理条件下形成不同组织结构的机制,为通过改变热处理制度控制TC4钛合金电子束焊接接头相变的方法,提供了理论基础.结果表明,TC4钛合金电子束焊接接头的相变驱动力来源于新相马氏体和母相的化学自由能差,形成的马氏体贯穿整个晶粒,并且其取向呈一定的角度;低于MS点的焊后热处理只能使马氏体长大,而高于MS点的焊后热处理不仅使马氏体长大,还使部分β相成为饱和固熔体,并残留在马氏体片层之间.     

TC4钛合金电子束焊接头性能研究

采用真空电子束焊方法进行TCA钛合金的焊接，借助OM、SEM设备观察焊缝金属显微组织和断口形貌，测试了焊接接头硬度并进行了冲击试验，分析了焊接接头性能、显微组织及焊缝中气孔的形成。结果表明，采用真空电子束焊焊接TCA钛合金时，焊缝和热影响区金属中较粗大的原始β相一部分转变为过饱和的针状马氏体；焊缝中心有少量的针状α’相，并形成了编织状α组织；焊缝金属的硬度值比母材金属的高，但冲击韧度比母材金属的低。     

TC4钛合金的电子束焊

采用真空电子束焊接工艺焊接TC4钛合金，通过显微组织观察、显微硬度测试以及进行冲击试验，分析了焊接接头显微组织、性能以及焊缝中气孔的形成。结果表明：采用真空电子束焊焊接TC4合金时焊缝中有气孔产生．焊缝金属的硬度值比母材金属的高，但冲击值低于母材的；焊缝和热影响区中较粗大的原始β相一部分转变为过饱和的针状马氏体；焊缝中心有少量的针状α＇相，并形成了编织状α组织。     

EB炉熔炼TC4钛合金热轧板材的组织性能研究

以工业化电子束冷床炉（EB炉）熔炼的TC4钛合金扁锭为研究对象，对其进行热轧变形，研究单向和换向热轧工艺对TC4钛合金板材显微组织与力学性能的影响。结果表明：TC4钛合金扁锭显微组织为魏氏组织，经过热轧塑性变形后，晶界已充分破碎，α相集束发生扭折、变形和破碎，且纵横交错分布，呈网篮状。随着热轧换向次数的增加，片状α相纵横交错越明显，降低了其在轧向和横向的各向异性，换向二次热轧的板材综合性能最优。TC4钛合金的断裂转变形式为单向热轧RD方向的韧性断裂、TD方向的韧性+准解理混合型断裂→换向一次热轧RD方向的韧+脆混合型断裂、TD方向的韧性+准解理混合型断裂→换向两次热轧的韧性断裂。热轧板材主要是α-Ti和β-Ti的基体相。单向热轧板材的晶粒在<0001>方向存在择优取向；换向一次热轧板材的晶粒取向主要介于<0001>和<"1" ?2"1" ?0>晶向之间；换向二次热轧板材晶粒取向向<01"1" ?0>方向移动，其晶粒取向介于<0001>和<01"1" ?0>方向之间。     

脉冲磁场对TC4钛合金析出行为及力学性能的影响

为了探讨脉冲磁场对TC4钛合金析出行为的影响,在其时效过程中施加了脉冲磁场,分别在形核阶段和长大阶段进行观察与分析,利用扫描电镜、透射电镜、拉伸试验机研究脉冲磁场在TC4时效过程中对显微组织、强度和塑性的的影响,并通过经典形核理论及扩散理论分析了脉冲磁场在时效过程中的作用机制。结果表明,由于脉冲磁场的加入,TC4析出速度明显提高,相同时间下析出相的体积分数增加,在保证力学性能的前提下,降低了时效所需的时间。施加脉冲磁场时效2 h相较于未施加脉冲磁场4 h延伸率塑性提高了21.68%,抗拉强度基本一致。在脉冲磁场和温度场耦合作用下时效,可使TC4提前（2h）进入过时效阶段;在拉伸断口方面,施加脉冲磁场在2h前断口形貌为韧窝断口,但当时间增加至2 h后,断口逐渐转变为准解理断口形貌,表明脉冲磁场可以加速时效进程。分析认为,脉冲磁场通过磁吉布斯自由能促进了TC4在时效过程中次生相的析出及长大,是由于降低临界形核功和促进原子扩散的协同效应所致。     

TC4-DT钛合金电子束焊接接头的拉伸性能

用电子束焊接50 mm厚TC4-DT钛合金板,对母材、焊缝金属和焊接接头的拉伸性能进行测试,获得了母材和焊缝金属的基本拉伸性能数据,分析了电子束焊接接头显微组织对拉伸性能的影响.结果表明,电子束焊接使TC4-DT钛合金焊缝金属强度增加,塑性和韧性降低,应变硬化能力增强.焊接接头拉伸试验的断裂位置均在离焊缝边缘较远的母材上,母材为整个接头的薄弱环节.母材和焊缝金属拉伸断口均表现出延性韧窝断裂特征.与母材金属相比,焊缝金属拉伸性能的变化与电子束焊接过程中冷却速度快、在焊缝区形成了粗大β柱状晶及针状马氏体有关.     

厚壁TC4-DT钛合金电子束焊接接头的微观组织特征

对50mm厚壁TC4-DT钛合金进行焊接试验,通过对接头横截面进行光学显微组织分析和显微硬度测试,研究电子束焊接对该合金微观组织特征的影响。结果表明:TC4-DT钛合金母材显微组织为等轴状初生α相和层片状(α+β)所构成的典型双态组织。焊缝区的显微组织为网篮状马氏体组织α,,焊缝上部粗大的原始β柱状晶界明显,下部原始β晶粒尺寸较小且晶界不明显。热影响区显微组织可分为2个区域,近焊缝热影响区显微组织为少量等轴初生α+针状马氏体α,,近母材热影响区显微组织为等轴初生α+含针状α的转变β组织。2个区域的分界取决于焊接冷却过程的β转变温度。接头焊缝区和热影响区显微硬度偏高,近焊缝热影响区显微硬度达到峰值。另外,不同焊缝深度处显微硬度有差别:随着熔深位置增加,焊缝区的显微硬度呈递增趋势。     

Influence of Aluminum Content on the Microstructure and Properties of Electron Beam Welded Joints of TiAl/ TC4 Alloy

研究了不同工艺参数下TiAl/TC4异种材料电子束焊接接头组织和力学性能,分析了焊缝中Al元素含量对焊缝组织和接头力学性能的影响。对中焊时焊缝区主要以α-Ti3Al相和α-Ti相为主,还包含少量B2相和YAlx相。焊缝中TiAl母材熔化量约为1/3,TC4母材约为2/3,Al质量分数约为28%,较高的Al含量促使形成脆性α相,降低了接头局部位置的塑韧性。对中焊时接头抗拉强度普遍不高,断裂为典型的脆性穿晶及准解理断裂。当电子束向TC4合金一侧进行焊接时,焊缝中Al含量进一步降低,接头组织得到改善,可提高接头的力学性能,偏移量hs=0.2mm时接头最高抗拉强度为422.2MPa。     

10 mm厚TC11钛合金电子束焊接组织性能和残余应力

利用真空电子束焊机对TC11钛合金进行试验研究。采用光学显微镜及扫描电镜观察并分析接头不同区域的组织特征,并对焊接接头进行了显微硬度和力学性能测试,同时采用盲孔法对试样的残余应力进行测试。结果表明:TC11钛合金电子束焊接头焊缝区的组织特征为典型的柱状晶,晶粒内为交错排列细密的α′相,而热影响区组织为均匀的α′相和原始α+β转相的混合物。显微硬度与组织呈现较好的对应关系,即焊缝及热影响区的显微硬度高于母材。接头的冲击韧性比母材提高了20%,而抗拉强度为母材的98%左右。残余应力为以纵向应力为主的单向拉伸应力状态,横向残余应力数值则较小。     

TC4钛合金与Nb—W—Mo—Zr铌合金的真空电子束焊接工艺研究

采用真空电子束焊对TC4钛合金和Nb—W—Mo—Zr铌合金进行了成功焊接,焊接的基本工艺参数为：炉室真空度≤3．0×10^-2 Pa,枪室真空度≤1．5×10^-3 Pa,焊接电压56-60kv,束流20～25mA,工件的移动速度为550～600mm／min。用扫描电镜对焊接组织进行了观测,并作了X射线无损探伤。结果表明,热影响区和熔合区组织致密,焊缝熔透性好,无气孔。熔合区主要为胞状束凝固结构,基本无枝晶出现。X射线探伤结果得出,焊缝质量满足国家一级标准。焊接组件在室温下的力学性能为：Rm=595MPa,Rp0.2=482MPa,A=20％,Z=63％。     

强制冷却对TC4钛合金搅拌摩擦焊接接头组织性能影响

分别在空气和强制冷却条件下对TC4钛合金板进行了搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW),对比研究了焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明,FSW接头分为搅拌区、热机械影响区和母材区。母材区为热轧退火后的初生α和β双相组织。空气条件下焊接,搅拌区为α+β片层结构,组织转变主要为β相转变为片层α+β两相,热机械影响区为等轴晶α和α+β片层的双态组织,组织转变受动态再结晶和相变共同作用。强制冷却条件下焊接,搅拌区为针状马氏体,组织转变主要为马氏体相变。与空气条件下接头相比,强制冷却条件下的FSW接头显微硬度明显提高,但抗拉强度略微降低。     

TC4/TC17电子束焊接接头组织及高温拉伸性能研究

针对TC4/TC17异种钛合金开展电子束焊接研究,并进行了高温(400℃)拉伸试验。结果表明,在焊接热循环作用下,热影响区和焊缝组织与母材相比发生了显著变化;TC4侧热影响区组织为马氏体;TC17侧热影响区则是亚稳定β相,焊缝处观察到粗大的柱状晶。TC17母材硬度高于TC4母材硬度,焊缝中心硬度最高。在400℃下,TC17母材的抗拉强度最好;焊接接头的抗拉强度与TC4母材的相当;TC4/TCI7电子束焊焊接接头的断口表面存在尺寸较大,少而浅的韧窝,韧窝形状呈椭圆形,表现出较好的塑性。