TC21损伤容限型钛合金线性摩擦焊接头组织和性能

Microstructure and properties of TC21 damage-tolerant titanium alloy LFWed joint

摘要

利用扫描电镜、电子背散射衍射研究接头的相变行为，并通过退火热处理提升接头的综合力学性能。结果表明：焊态接头焊缝区（WZ）发生完全动态再结晶及β→α΄相变；热力影响区在热力耦合作用下，棒状α相出现沿摩擦方向的拉长变形，且有明显的分解及破断球化现象；热影响区中晶粒内部棒状α相仍呈原始形态，β转变组织中次生α相在高温下发生完全分解，细小的二次片层状α相在α与β相界处析出。拉伸性能测试表明，WZ为焊态接头的薄弱区域，接头抗拉强度为1048.6 MPa，伸长率为6.1%，断面收缩率为5.7%。570 ℃焊后热处理后，接头WZ析出的大量互相交错的细小二次片层状α相使得WZ基本恢复TC21钛合金的损伤容限组织特征，接头抗拉强度和伸长率分别提升至1131.4 MPa和9.4%。

Abstract

The phase transformation behaviors of the joint are studied using scanning electron microscope and electron backscattered diffraction， and the comprehensive mechanical properties of joint are enhanced by annealing heat treatment. The results show that complete dynamic recrystallization and β→α΄ phase transformation occur in the weld zone（WZ） of the as welded joint. Under the thermo-mechanical coupling effect， the rod-shaped α phase exhibits significant elongation deformation along the friction direction in the thermo-mechanically affected zone， accompanied by obvious decomposition and breaking spheroidization. In the heat-affected zone， the rod-shaped α phase within the grains is similar as the base metal， whereas the secondary α phase in the original β matrix is completely dissolved under high temperature during welding. After welding， fine secondary lamellar α phase precipitates at the boundary between α and β phase. The tensile property tests reveal that WZ is the weak area of the joint. The tensile strength， elongation and section shrinkage of the joints are 1048.6 MPa， 6.1% and 5.7%， respectively. After annealing heat treatment of 570 ℃， large number of fine acicular secondary α phases whose are interweaved are precipitated in WZ， resulting in the damage tolerance microstructural characteristics （interweaved secon-dary α） of TC21 titanium alloy are restored in WZ. Therefore， the tensile strength and elongation are obviously increased to 1131.4 MPa and 9.4%， respectively.

Graphical abstract

关键词

TC21损伤容限型钛合金 / 线性摩擦焊 / 热处理 / 性能优化

Key words

TC21 damage-tolerant titanium alloy / linear friction welding / heat treatment / mechanical pro-perty optimization

TC21钛合金是一种新型两相高强（R_m≥1100 MPa）、高韧（K_IC≥70 MPa·m^1/2）损伤容限型钛合金^［1-2］，其通过一定热处理制度所获得的网篮组织相较于其他组织形态具有更好的强度、塑性、韧性和裂纹扩展速率匹配，这也是保证TC21钛合金损伤容限性能的关键^［3-4］。因此，TC21损伤容限型钛合金适合用于制造大型整体框、发动机挂架、承力梁及起落架等航空承力构件。当前此类构件大多采用机械连接或者整体锻造后机械再加工的形式进行制造。机械连接存在工艺繁琐、结构增重和可靠性降低等问题。而通过整体锻造后再进行机械加工制造，一方面难以保证大型毛坯件的铸造性能，另一方面也会因整体机械加工制造导致生产成本与生产周期难以控制。线性摩擦焊（linear friction welding， LFW）是一种新型固相焊接技术，焊接过程中待焊接的两试件以一定的振幅和频率做直线往复运动，产生大量摩擦热软化焊接面并形成黏塑性金属层，在轴向压力及界面剪切力的综合作用下热塑金属被不断挤出并形成飞边，消除原始焊接界面实现冶金结合。LFW能够有效避免熔焊中易出现的偏析、裂纹、气孔等凝固缺陷，还拓展了旋转摩擦焊技术的应用范围，可实现非轴对称复杂截面同质及异质材料构件的高质量连接，是公认的航空发动机整体叶盘制造与维修的核心技术之一^［5-8］。目前，国内外针对整体叶盘用钛合金（如TC4，TC17）已开展了相关LFW实验研究^［9-11］。常川川等^［12］发现，焊接过程中接头焊缝各区域发生了不同程度的α相转变分解，致使焊缝中α相含量相比母材（base metal，BM）显著降低。金俊龙等^［13］的研究中也发现了该组织的演变，且指出α相含量的减少是焊缝强度、塑性均低于BM的根本原因。本工作旨在深入开展TC21钛合金LFW接头组织特征形成机制研究，并通过焊后热处理实现接头强度与塑性综合提升，揭示相关强韧化机制，为LFW制造TC21损伤容限型钛合金承力构件工程应用提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本实验所用TC21损伤容限型钛合金为α+β双相钛合金，其化学成分如表1所示，β相变温度为（965±5） ℃。原材料是经双重退火热处理的锻件，一次退火热处理制度为 905 ℃+保温150 min+空冷，二次退火热处理制度为 570 ℃+保温420 min+空冷。TC21钛合金BM微观组织如图1所示。可以看出，BM为典型的网篮组织，原始β晶粒尺寸约为200~500 μm，β晶粒内主要由棒状α相和β转变组织构成，β转变组织则由细小的片层状次生α相及层间β相组成。

1.2 实验方法

LFW实验在中国航空制造技术研究院自行研制的15 t LFW焊机上进行，两个矩形试样的尺寸为100 mm×25 mm×12.5 mm，焊接面面积为25 mm×12.5 mm，具体焊接参数如表2所示。通过焊接获取两个接头试件，其中一个作为焊态接头，对另一个接头进行焊后退火热处理，热处理工艺为570 ℃/4 h，随炉冷却。在对两接头切去飞边后，截取金相及拉伸试样。其中金相试样经打磨抛光后，采用Kroll 试剂（HF∶HNO₃∶HCl∶H₂O=1∶3∶4∶92，体积比）腐蚀，随后在 OLYMPUS PMG3 光学显微镜及 Helios G4 CX型聚焦离子/电子双束电镜下观察接头的宏观、微观组织。拉伸试样则依据GB/T 228.1—2010制取，在经过打磨后于DDL100电子万能试验机上进行拉伸实验。两接头各选取3个拉伸试样进行测试，测试结果取其平均值，用来评定接头的拉伸性能。拉伸断口在用超声酒精清洗后，使用TESCAN VEGA3 LMU型钨灯丝扫描电镜观察研究接头断裂机制。

2 结果与分析

2.1 TC21钛合金LFW接头焊态组织

图2为TC21钛合金LFW接头焊态不同区域的金相组织照片。由图2（a）可以看出，焊缝中心区域到BM区域呈现出不同的组织特征：接头中心约350 μm范围内组织细密均匀，为焊缝区（weld zone， WZ）；毗邻WZ约450 μm范围内区域为热力影响区（thermo-mechanically affected zone， TMAZ），TMAZ组织沿平行于焊缝方向（线性摩擦方向）明显被拉长变形；TMAZ之外约700 μm范围为热影响区（heated affected zone， HAZ），HAZ组织形貌与BM基本相似，但棒状α相体积分数明显降低。图2（a）右半部分为焊接过程温度变化区域与变形区域示意图，可知由BM至WZ焊接温度逐渐增高，原始晶粒的变形程度逐渐增大，符合LFW高温梯度与高应力梯度的极端非平衡变形条件^［6］。

图2（b）~（e）为接头不同区域的扫描电镜组织。由图2（b）可知，BM中原始β晶粒内为互相编织分布的棒状α相和β转变组织，在β转变组织中存在大量析出的细小片层状次生α相。此外，α相与β相的相界清晰可辨。图2（c）的HAZ中晶粒内部棒状α相仍呈原始形态，但其周围明显形成一层较为均匀的浅色组织，而α相间的β转变组织中原有的细小片层状组织消失，β基体呈均匀深灰色。在焊接过程中，HAZ主要受到焊接界面热传导的影响，β转变组织中次生α相因尺寸细小易于在高温下发生完全分解，而焊后由于冷却速度快，来不及发生扩散相变再次析出，进而导致原β转变组织最终以亚稳态β相保留至室温（图3（a））。棒状α相的边缘也发生一定程度的分解，而在冷却过程中二次片层状α相（再次析出的α相）易于在α与β相界处形核^［14］，由于冷却速度较快，来不及长大，尺寸非常细小，便形成α相周围均匀的浅色组织（图3（a）），从而导致光镜下HAZ浅色组织明显增多及α相与β相界模糊。此外，由于高温作用导致棒状α相产生界面能降低的趋势，因而出现破断球化现象^［15-17］。图2（d）的TMAZ焊接热输入高于HAZ，α相与β相间的元素扩散加剧，不仅发生β转变组织→亚稳β_{的转变，其二次片层状α相的形核数量增多与长大（图3（b））也使得α与β相界进一步模糊。此外，在强烈的高温热与剪应力的耦合作用下，棒状α相出现沿摩擦方向明显的拉长变形，且整体分解程度及破断球化趋势明显增大。不仅如此，TMAZ内还形成少量尺寸远小于BM的β晶粒（图3（b）），表明TMAZ内发生β相的动态再结晶。图2（e）的WZ中发现再结晶等轴β晶粒，其晶界清晰，且无任何变形组织，说明WZ发生了完全动态再结晶^［18-20］。WZ再结晶β晶粒尺寸非常细小，约3~10 μm，远小于BM的（约200~500 μm），且晶粒内析出互相交错分布的针状马氏体α΄相（图3（c））。表明在LFW过程中WZ温度超过β相变温度，加热过程发生充分的α→β转变；而由于黏塑性金属在焊缝中心被不断挤出形成飞边并快速带走焊接界面大量的摩擦热，焊后冷却速度非常快，造成WZ的再结晶晶粒来不及长大，晶粒尺寸细小，且发生无扩散的β→α΄相变，产生针状马氏体α΄相。}

图4为TC21钛合金LFW接头焊态不同区域α相的反极图。图4（a）为BM的α相反极图，可以看出BM中棒状α相存在明显的“集束特征”，在同一α集束内相互平行的棒状α相的取向一致，但是不同α集束的取向存在差别。由图4（b）可以看出，HAZ棒状α相的取向与BM的α相一样存在着集束特征。图4（c）的TMAZ α相反极图中，单个棒状α相的颜色不再单一，呈现出多种颜色。这是由于焊接过程中强烈的热力耦合作用下TMAZ棒状α相拉长变形，内部大量位错被激活，位错缠结严重，位错集中的区域发生破碎，取向单一的棒状α相破碎后呈现出多种取向。图4（d） 中WZ的α相反极图基本为绿色，说明WZ快冷析出的α（α΄）相择优取向非常明显。由BM→WZ可以明显看出，TC21钛合金的损伤容限型组织形貌逐渐消失，WZ内基本观察不出该形貌。

2.2 TC21钛合金LFW接头焊态力学性能

对TC21钛合金LFW接头进行拉伸实验，结果如表3所示。可知接头抗拉强度约为1048.6 MPa，伸长率约为6.1%，断面收缩率约为5.7%，分别为BM的95.2%、51.2%和23.5%，表明接头的抗拉强度略低于BM，但伸长率和断面收缩率比BM显著降低。图5为拉伸试样断裂后的宏观形貌。发现拉伸试样全部断裂于焊缝位置，未发生明显的颈缩现象，说明焊缝处为接头的薄弱区域。接头的抗拉强度可以达到BM强度的95.2%，这是由于在经历了LFW强烈的热力作用后，WZ显微组织相较于BM发生明显变化，先前所述的针状马氏体α΄相的“细晶软化”现象与β等轴晶粒的“细晶强化”作用互相“抗衡”，使得WZ附近强度略低于BM强度。此外，接头的断面收缩率较差，仅达到BM的23.5%，伸长率则只达到BM的51.2%。这是由于，WZ及附近区域与BM组织的差异导致拉伸实验时接头整体变形不协调，变形集中在WZ附近，使得接头塑性指标均明显低于BM。

为进一步明确接头拉伸断裂机理，对拉伸断口形貌进行表征分析，如图6所示。从图6（a）可以看出，WZ断口的宏观形貌较为平整，断面垂直于拉伸载荷方向，有纤维区和剪切唇，无明显的放射区，表明试样的塑性较差，宏观呈脆性断裂的特征。宏观断口Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区高倍下的形貌如图6（b）~（d）所示。可以看出图6（b）中存在较多小的解理平面和浅而小的韧窝，这是因为晶界应力集中会导致沿晶开裂^［21-22］。图6（c）中可以发现解理台阶的侧面汇合，形成一定的河流状花样，主要是晶界应力集中形成的裂纹在向相邻晶体扩展时，解理面上不同高度的晶面由于受较大的应力撕裂作用形成台阶。图6（d）中可以看到大量的韧窝，其被拉长成椭圆形，周围许多小的撕裂棱，并伴有二次裂纹的出现，导致断裂能量的增加。综上可知，拉伸试样断口呈现出准解理断裂形貌特征。

2.3 TC21接头组织性能优化

图7为经过570 ℃焊后热处理后WZ的显微组织。与焊态接头的WZ相比，热处理后WZ的再结晶等轴β晶界较为模糊（图7（a）），晶粒尺寸也发生粗化。在高倍的电镜下（图7（b）），观察到大量互相交错的细小二次片层状α相在再结晶β晶界处及晶粒内析出，TC21钛合金的损伤容限型组织特征恢复。此外，由于二次片层状α相会覆盖部分再结晶β晶界，导致低倍电镜下再结晶β晶界模糊。图8为热处理后接头各区域的反极图。可以看出，热处理后的BM与HAZ相较于焊态接头（图4（a），（b））无明显变化，仍存在着“集束特征”，TMAZ与WZ组织中析出的次生α相与焊态组织（图4（c），（d）相比，针状α΄相更加细密均匀，且含量也显著提高。与焊态接头WZ相比，热处理接头WZ具有明显的α相交织分布的损伤容限型组织特征。

表4为热处理后TC21钛合金LFW接头的拉伸性能测试结果。图9为热处理后接头拉伸试件的断后照片。可以看出，所有拉伸试件均断裂于BM位置。测试结果表明，接头的抗拉强度为1131.4 MPa，已经超过BM的强度。在焊后热处理中，较长的保温时间和较低的冷却速度使得WZ的针状马氏体α′+亚稳β组织发生分解，转变为稳态α+β组织，析出大量互相交错的细小二次片层状α相形成“第二相强化”，再结合β等轴晶粒的“细晶强化”作用，最终提升了WZ的强度^［23-24］。接头的断面收缩率为19.4%，也明显超过BM的15.2%，伸长率为9.4%，趋近于BM的10.1%，说明焊后热处理形成的细密均匀的稳态α+β组织一定程度恢复了BM的损伤容限型组织特征，接头塑性指标获得明显提升。

因此，焊后热处理工艺可以明显提高TC21钛合金LFW接头的综合力学性能，使得WZ焊态接头薄弱区域的性能得到显著优化，恢复TC21钛合金的损伤容限特征。

3 结论

（1）接头WZ发生完全动态再结晶，在焊后快速冷却条件下发生无扩散的β→α΄相变；TMAZ在热力耦合作用下，棒状α相出现沿摩擦方向明显的拉长变形，且有明显的分解及破断球化现象；HAZ中晶粒内部棒状α相仍呈原始形态，β转变组织中次生α相在高温下发生完全分解，细小的二次片层状α相在α与β相界处析出。

（2）WZ为焊接接头的薄弱区域，接头抗拉强度为1048.6 MPa，伸长率为6.1%，断面收缩率为5.7%，分别为BM的95.2%、51.2%和23.5%，表明WZ的强度指标略低于BM，塑性指标明显低于BM。

（3）570 ℃焊后热处理后，WZ的针状马氏体α′+亚稳β组织发生分解，转变为稳态α+β组织，并析出大量互相交错的细小二次片层状α相，接头抗拉强度和伸长率分别提升至1131.4 MPa和9.4%，WZ不再为接头的薄弱区域。

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基金资助

国防基础科研计划资助项目(JCKY2018205B026)