60mm厚TC4钛合金电子束焊接头疲劳性能

针对大厚度钛合金在海洋领域的应用,开展了60 mm厚TC4钛合金电子束焊接(EBW)接头疲劳性能的研究. 对EBW接头和母材的疲劳性能进行测试,分析接头疲劳性能的均匀性,绘制S-N曲线对比分析母材与接头的疲劳性能,并采用扫描电镜观察疲劳试样断口以解明断裂路径. 结果表明,EBW接头疲劳性能测试断裂多发生在母材,少数断裂在热影响区,接头疲劳性能沿熔深方向由上至下逐步降低,电子束焊接接头比母材高出10%,接头疲劳试验断口可分为疲劳源区、裂纹稳定扩展区和瞬断区3个典型区域,裂纹起源于试件表面边缘处.     

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-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。     

电子束局部热处理对TC4钛合金焊接接头组织和性能的影响

通过对14.5 mm厚TC4钛合金平板电子束焊接接头的局部热处理,研究了电子束局部热处理对钛合金电子束焊接接头组织、硬度和拉伸性能的影响.结果表明,电子束局部热处理后扫描区内的母材组织晶粒粗化长大,α相在原始β晶界处长大的同时,以层片状或针状的α形态向β晶内生长.局部热处理后冷却速度的降低使焊缝组织中的针状马氏体在分解析出β相的同时转变为α相,变短变厚的α相相互交错排列.另外,局部热处理消除了焊缝和热影响区的硬度突变.同焊后状态相比,局部热处理后焊接接头的整体性能沿焊缝垂直方向得到了均衡和提高,拉伸试样的断裂位置由焊后状态时的热影响区和母材的交界处转移到未经历热处理的母材区域.     

焊前热处理对TC4-DT钛合金电子束焊接接头组织的影响

焊前首先对TC4-DT钛合金母材进行不同固溶处理,进而研究电子束焊接对接头显微组织的影响.结果显示,在炉冷条件下960℃固溶处理的母材为双态组织,晶粒细小,焊缝轮廓清晰,热影响区为等轴初生α相和针状马氏体α'相,焊缝为"网篮状"马氏体组织;经1018℃固溶处理的母材为魏氏组织,晶粒粗大,焊缝轮廓模糊,热影响区为板条状α相和针状马氏体α'相,焊缝柱状晶宽度增加;经960℃+1018℃固溶处理的母材,魏氏组织晶粒尺寸最大,焊缝柱状晶宽度也最大.固溶后空冷处理的母材α片层厚度小,热影响区α相也小,但焊缝区的马氏体α相变宽、变粗.     

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。     

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。     

焊后消应力对TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能的影响

研究去应力退火和完全退火两种热处理状态下30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头的组织和性能。结果表明：两种热处理状态下,接头的组织构成类似,BW区以等轴α相+板条状α相与晶间β相组成的双相组织,HAZ区由初生α相、针状马氏体α′相以及板条状α相和β相的双相组织组成,WM区主要由大量的针状马氏体α′相和少量分布在原始β晶界的α相组成。与去应力退火状态相比,在完全退火状态下,接头整体组织更加均匀,α相球化程度更高,抗拉能力更强,抗冲击性能更弱。     

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。     

电子束热处理对钛合金接头残余应力的影响

采用小孔法,测量了BT20钛合金电子束焊接接头在焊态和电子束局部热处理两种状态下残余应力的分布。结果发现,钛合金电子束焊接接头处以纵向残余应力为主;通过电子束局部热处理,使焊缝处的残余应力峰值降低了约50％;在热处理的过程中,必须采取一定的措施,在改善残余应力的同时尽量避免产生变形。     

热处理对TC4钛合金电子束焊接件组织性能的影响

对分别处于退火和固溶时效态的TC4钛合金进行电子束焊接,焊后采用不同的热处理工艺,利用光学显微镜(OM)及X射线衍射(XRD)的方法对这两种TC4焊接件的微观组织及相组成进行了分析,并进行力学性能试验.结果表明,两组试件母材组织均为α相和β相转变组织的机械混合物,但状态和分布不同;退火态试件的热影响区为粗而短的针状α相和少量初生α相,焊缝为单一板条α'马氏体,粗大且分布均匀,属于典型的网篮状组织,而固溶态试件热影响区中的针状α马氏体细小且分布不均;焊缝主要为粗大原始β晶粒内针状回火α'马氏体及晶界α相.这两组试件的抗拉强度及冲击韧度均高于母材,但退火态试件抗拉强度高于固溶态试件,冲击韧度略低于后者.     

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.     

2195铝锂合金电子束焊接头的焊后热处理

采用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪及X射线衍射仪等微观分析手段,研究不同热处理工艺条件下2195铝锂合金电子束焊接头焊缝区的显微组织演变,探讨接头的焊后热处理强化机制。结果表明,焊后热处理可显著改善接头区域的显微组织,促进强化相的析出,有利于提高接头的力学性能。经过焊后固溶+双级时效热处理,焊态下接头熔合线附近存在的等轴细晶区消失,β′、θ′和T₁等强化相在接头焊缝区析出,与单级时效处理工艺相比,双级时效处理的析出强化效果更为显著。力学性能测试表明,经过双级时效热处理后,接头的抗拉强度达到492.5 MPa,为母材强度的90.4%。接头拉伸断口表面存在许多小韧窝,并伴随出现解理面,接头呈韧-脆混合型断裂特征。     

TA15钛合金电子束焊焊接接头力学性能

钛合金材料以及相关制造技术是实现飞机先进性的重要基础之一,电子束焊接是钛合金板材一种先进的焊接形式.对TA15钛合金板材电子束焊接试样进行了金相分析和静力试验、疲劳试验和扫描电镜(SEM)分析.结果表明,TA15板材电子束焊焊接接头的焊缝、热影响区和母材的微观组织差别明显;焊缝韧性降低,抗拉强度高于母材;热影响区尺寸较小,在1～2 mm左右,是焊接接头的薄弱部位;疲劳裂纹大多萌生于焊接热影响区区域,疲劳破坏试样断口的SEM分析表明,疲劳裂纹大多起源于焊接热影响区的气孔处.     

Effects of zonal heat treatment on residual stresses and mechanical properties of electron beam welded TC4 alloy plates

Zonal heat treatment(ZHT) was conducted in situ to 14.5 mm-thick TC4 alloy plates by means of defocused electron beam after welding. The effects of ZHT on residual stresses, microstructures and mechanical properties of electron beam welded joints were investigated. Experimental results show residual stresses after welding are mostly relieved through ZHT, and the maximum values of longitudinal tensile stress and transverse compressive stress reduce by 76% and 65%, respectively. The tensile strength and ductility of welded joint after ZHT at slow scanning velocity are improved because of the reduction of residual stress and the microstructural changes of the base and weld metal. ZHT at fast scanning velocity is detrimental to the ductility of welded joint, which is resulted from insufficiently coarsened alpha phase in the fusion zone and the appearance of martensite in the base metal.     

30mm厚钛合金TC4磁控电弧窄间隙TIG焊接接头组织及力学性能研究

对30 mm厚钛合金TC4板材进行磁控电弧窄间隙TIG焊接试验,并对其接头组织与力学性能进行检测分析,包括金相组织、拉伸强度、冲击韧性及显微硬度。通过优化焊接工艺试验,得到了外观成形美观、保护效果良好,未见宏观缺陷的窄间隙焊接接头。焊缝显微组织主要由片状α相、β相及细针状马氏体α′相组成。磁控电弧窄间隙TIG焊接中电弧在窄间隙坡口中进行周期性摆动,能够降低焊接热输入的同时保证侧壁充分熔合,得到的热影响区与常规TIG焊接方法相比要窄,宽度大约为1～2 mm。对接头进行拉伸试验,断裂位置均在焊缝处,断裂方式为韧性断裂,接头抗拉强度可达到母材的96%以上。接头热影响区硬度值最高,焊缝中心区显微硬度最低,整个接头的硬度峰值出现在热影响区的粗晶区,但未见明显的硬化及软化区域。     

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.     

热加工对电子束焊接TC11/Ti2AlNb双合金接头组织和性能的影响（英文）

研究热加工对电子束焊接TC11/Ti2Al Nb双合金接头显微组织的影响,对焊接件热暴露前后的室温拉伸性能进行测试。结果表明:电子束焊接TC11/Ti2Al Nb双合金熔合区主要由β相组成;经过变形和热处理后,熔合区主要由β、α2和α相组成,同时原始铸态的晶界在变形过程中破碎。在拉伸试验中,熔合区是薄弱区域;在不同的变形条件下,试样(热暴露前后)在此区域发生断裂。热处理后试样的最大室温拉伸强度达到1190 MPa;锻后水冷试样具有较好的塑性,其伸长率达到4.4%。相比较而言,经过(500°C,100 h)的热暴露后,试样的室温拉伸强度略有上升,但塑性变化较小。拉伸断口SEM观察显示,在不同变形条件下穿晶断裂为主要的断裂机制。     

热输入对TiAl基合金电子束焊接头性能的影响

采用不同的焊接工艺参数对Ti43Al9V0.3Y(原子分数,%)合金进行电子束焊接,分析了不同的焊接热输入对接头组织、焊缝成形及抗拉强度的影响.结果表明,随焊接热输入的增大接头的抗拉强度也增大,但热输入过大时强度降低.TiAl基合金性能对组织非常敏感,电子束焊接时接头组织转变不充分造成变形能力差,极易形成宏观横向裂纹和纵向弧坑微裂纹.近缝区组织和硬度过渡剧烈,是接头中的薄弱环节,因此裂纹大多从弧坑扩展到近缝区而断裂.断裂性质为脆性断裂,断裂特征为解理断裂和穿晶断裂,还具有分层、穿层的断裂特征.