TIG连接异种工艺TA15合金的微观组织与力学性能

Microstructure and mechanical property of TA15 alloy by TIG jointing dissimilar process

摘要

为了满足大型构件连接需求，以TA15丝材为原料，采用钨极惰性气体（tungsten inert gas，TIG）保护焊对激光沉积制造（laser deposition manufacturing，LDM）和热等静压（hot isostatic pressing，HIP）制备的TA15母材进行连接。结果表明，连接试样不同区域组织存在差异，其中HIP母材微观组织为等轴晶，晶粒内部为双态组织；HIP母材热影响区A（heat affected zone A，HAZ-A）呈现等轴晶；TIG连接区呈现β柱状晶，晶粒内部为细小网篮组织；LDM区呈现β柱状晶，晶粒内部的网篮组织较TIG连接区粗大；LDM母材热影响区B（heat affected zone B，HAZ-B）晶粒形状仍为柱状晶。连接试样的室温抗拉强度和延伸率分别达到了1 046.3±13.7 MPa和6.2%±0.6 %。与母材相比，连接试样的抗拉强度提高，塑性下降。连接试样的断裂位置为HAZ-B，断裂机制属于半解理半韧性断裂。

Abstract

In order to meet the jointing requirements of large-scale components，TA15 wire was used as raw material to join TA15 base metal prepared by laser deposition manufacturing （LDM） and hot isostatic pressing （HIP） with tungsten inert gas （TIG）arc welding.The results show that there are differences in the microstructure of different regions of the jointing specimens.The microstructure of the HIP base metal is equiaxed grains，and the internal structure of the grain is bimodal structure.The heat affected zone A （HAZ-A） of HIP base metal presents equiaxed grains.The TIG jointing zone presents β columnar grains，and the intracrystalline is fine basketweave structure.The LDM zone presents β columnar grains，and the basketweave structure inside the grains is coarser than that in the TIG jointing zone.The grain shape of heat affected zone B （HAZ-B） of LDM base metal is still columnar grains.The tensile strength and elongation of the jointed specimens at room temperature are 1 046.3±13.7 MPa and 6.2%± 0.6 % respectively.Compared with the base metal，the tensile strength of the jointed specimens increases and the plasticity decreases.The fracture position of the jointing specimens is HAZ-B，and the fracture mechanism belongs to semi-cleavage and semi-ductile fracture.

Graphical abstract

关键词

TA15合金 / 钨极惰性气体保护焊 / 激光沉积制造 / 热等静压 / 微观组织 / 力学性能

Key words

TA15 alloy / tungsten inert gas arc welding / laser deposition manufacturing / hot isostatic pre-ssing / microstructure / mechanical property

TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）合金具有高比强度、优异的耐腐蚀性和抗蠕变性及良好的高温性能等优点，被广泛应用于飞机承力框、壁板、承载梁等受力比较复杂且工作温度高的结构件^［1-2］。

近年来，航空航天等领域对大型化、复合化和一体化结构的需求量日益增加，传统制备工艺方法无法满足构件制备要求^［3］。HIP工艺可以在高温下对粉末施加各向均等静压力，从而将其固结成形。该工艺能够产生低织构和化学成分均匀的精细微观结构，材料利用率高且可用于制备几何形状复杂的构件^［4-5］。LDM工艺是一种以激光作为热源逐层沉积的新型制造技术。LDM工艺具有生产周期短、能量密度高等优点，可以制备大尺寸构件^［6-8］。研究发现，分别利用HIP工艺和LDM工艺制备各具优势的构件，并对两种构件进行连接，可最大程度地发挥不同制备工艺的优势，有效地提升构件的综合性能及实现制造成本的最低化^［9-10］。

目前钛合金的增材连接方法包括电弧增材连接（wire arc additive jointing，WAAT）^［11］、等离子弧增材连接（plasma arc additive jointing，PAAJ）^［12］、真空电子束增材连接（electron beam additive jointing，EBAJ）^［13］及激光增材连接（laser beam additive jointing，LBAJ）^［14］。与其他连接方法相比，TIG增材连接工艺具有成本低、对连接工件的装配精度要求低和操作简单等优点，在航空领域得到了广泛的应用^［15］。

王利发等^［16］对TA15钛合金TIG增材连接件进行研究，结果表明，热影响区是连接件的薄弱部位，疲劳裂纹大多产生于连接热影响区。牟刚等^［17］研究了TIG与熔化极气体（melt inert-gas，MIG）保护增材连接两种不同工艺连接钛合金的工艺及性能，结果表明，二者连接区均由粗大柱状晶组成，组织均为α′马氏体+β相，TIG增材连接件强度高于MIG。刘晓寒等^［18］采用激光-TIG电弧复合热源对TA15钛合金进行连接试验，结果表明，复合热源连接件疲劳断裂发生在热影响区，在560 MPa应力水平下，复合热源连接件疲劳寿命为母材的91.5%。Sönmez等^［19］探究了TIG连接钛合金时不同电流大小（40、60、80 A）对连接性能的影响，结果表明，TIG连接钛合金的最佳电流值为60 A。

近年来，国内外有关钛合金连接的研究主要集中于同种母材连接后的微观组织和力学性能，而关于连接不同工艺制备的钛合金母材的研究相对较少。显然，不同工艺制备的钛合金微观组织存在差异，对连接后界面过渡、微观组织演变机制的研究具有重大意义。本文以HIP工艺和LDM工艺制备TA15合金作为母材，采用TIG增材工艺对母材进行连接，深入分析了TIG增材连接区与母材区界面间的微观组织演变过程，讨论了微观组织与力学性能的关系。本文可以为TIG增材连接工艺在异种工艺制备钛合金的连接领域中的应用提供试验数据和理论基础。

1 试验方法

1.1 试验材料

图1a和图1b分别为以LDM工艺和HIP工艺制备的TA15合金试样，两种试样均采用TA15合金粉末制备。激光沉积制造合金试样工艺如下：激光功率为5 000 W、光斑直径为6 mm、扫描速度为1 000 mm/min、扫描间距为3 mm、分层厚度为0.9 mm、搭接率为50%，扫描策略如图1c所示。热等静压合金试样的制备工艺如下：温度为920 ℃、压力为130 MPa、时间为3 h，连接试验所用丝材的直径为1.2 mm。试验前将丝材放入100 ℃的烘干机中烘干0.5 h，保证丝材充分干燥。试样的化学成分与丝材相同，如表1所示。

1.2 电弧增材连接过程

本文所使用的TIG增材连接设备由沈阳航空航天大学自主搭建，该设备由六轴FANUC Robot M-710ic70机器人、TBi-RT502钨极惰性气体焊枪、控制系统、REHM APUS 20C CN送丝机及INVER TIG.PRO DIGITAL 350 AC/DC雷姆焊机构成。总体结构如图2a所示，送丝装置用于控制送丝速度v₂，焊枪移动速度v₁由机器人控制。为了保证连接试样不被氢化或氧化，连接试验过程中采用氩气保护，保护气体流量为15 L/min。

基于前期的研究，本文采用优化后的TIG增材连接参数进行连接试验，具体工艺参数如表2所示。连接试样尺寸如图2b中所示，母材坡口为V型坡口，坡口角度为90°。试验前，使用240目金相砂纸对母材坡口处进行打磨以去除表面氧化层，随后用无水乙醇擦拭并吹干。试验过程中，为了达到逐层冷却的效果，相邻焊道之间采用氩气冷却180 s。试验后对连接试样进行去应力退火，去应力退火的温度和时间分别为650 ℃和2 h^［20］，冷却方式为炉冷。

1.3 试样表征与检测方法

利用机加手段沿连接试样截面截取金相样品，经镶嵌后对金相样品进行研磨和抛光，使用腐蚀液（体积配比为氢氟酸∶硝酸∶水=2∶1∶17）对金相试样进行腐蚀。利用光学微观镜和扫描电子显微镜表征连接试样截面微观组织。

为检测连接试样的力学性能，制备了室温拉伸检测试样。为保证拉伸性能的一致性，拉伸试样取样位置均为连接试样中部，取样位置和室温拉伸试样尺寸分别如图2c和图2d所示。采用INSTRON5982电子万能试验机进行室温拉伸试验，应变速率为0.5 mm/min，并利用扫描电子显微镜分析拉伸试样的断口特征。

2 结果与讨论

2.1 显微组织形貌

图3为TIG增材连接试样的宏观形貌。从图3a中可以看出，连接试样整体宏观形貌分为HIP区、TIG增材连接区、LDM区及连接区两侧的HAZ-A区和HAZ-B区这5个区域，各个区域之间存在明显的分界，界面两侧晶粒形状及尺寸存在较大差异。HIP区（图3b）呈现典型的等轴α晶粒。TIG增材连接区（图3c）为TIG增材制造中常见的外延生长的柱状晶粒，晶粒的平均宽度约为200 μm。相较于其他形式的电弧增材制造^［21］，晶粒平均宽度显著降低。LDM区（图3d）和TIG区呈类似的柱状晶生长，β柱状晶生长方向均与沉积方向近似平行。但LDM区β柱状晶的尺寸稍显粗大，晶粒的平均宽度约为350 μm。这是因为TIG工艺的能量密度相较LDM工艺而言更小，同时熔池通过侧向基板散热，相邻焊道之间存在充足的冷却，散热较快不利于晶粒长大。HAZ-A区（图3e）则呈现等轴晶，比HIP区的稍大。HAZ-B区（图3f）表现为柱状晶，晶粒平均宽度约为400 μm，尺寸比LDM区（图3d）稍大，这主要是由于TIG连接时所带来的热输入促进了晶粒的生长。

图4为连接试样不同区域的SEM形貌。HIP区（图4a）显微组织为β转变组织和板条α相组成的双态组织。TIG增材连接区（图4b）为由α板条交错排列构成的细小网篮组织。除此之外，TIG增材连接区还观察到了马氏体，连接过程中快速冷却形成了马氏体相。LDM区如图4c所示，存在较厚集束组织，这是因为LDM工艺较大的激光功率所带来的高热输入导致α集束受热长大。相比于母材区，HAZ-A区（图4d）中的α板条和等轴α相发生粗化。HAZ-B区显微组织如图4e所示，在HAZ-A区和HAZ-B区中均发现针状马氏体和粗化的α片层，在HAZ-B区中发现杂乱的网篮组织。马氏体是由连接时带来的非稳态热输入导致的热影响区金属快速熔凝、冷却形成的。因为连接过程中熔池向过冷的基板散热且TIG增材制造过程具有快速凝固的特点，在快速冷却过程中，β转变基体析出细小的次生α相来不及充分生长，因此热影响区形成了杂乱的网篮组织。此外，在TIG增材连接过程中，后续的增材填充对热影响区产生非稳态热作用，热影响区近似经历退火过程，导致HAZ-A区中的α板条和等轴α相及HAZ-B区中的α片层发生粗化。

2.2 室温拉伸力学性能

另外制备一组TIG增材制造试样，分别对增材连接试样、HIP试样、TIG增材制造试样及LDM试样进行室温拉伸性能测试，结果如图5所示。连接试样断裂位置为HAZ-B区，连接试样的抗拉强度σ_b为1 046.3±13.7 MPa，高于两种母材，低于TIG增材制造试样；屈服强度σ_0.2为 981.7±8.3 MPa，高于两种母材，低于TIG增材制造试样；延伸率δ为6.2%±0.6%，低于两种母材，高于TIG增材制造试样。

连接试样在HAZ-B区断裂，可能与晶粒形状及晶内组织有关。与母材相比，HAZ-B区晶粒粗化，粗大的柱状晶导致组织晶界相对较少，晶界强化效应减弱，在断裂过程中对于位错变形的阻碍作用小，相比之下虽然HAZ-A区晶粒有所粗化，但等轴晶导致组织晶界较多，能够形成一定的晶界强化效应。文献［22］指出，较宽的α片层有利于位错变形，α片层的平均宽度越宽，有效滑移长度越短，HAZ-B区中较宽的α片层不利于抑制裂纹扩展。另外，HAZ-B区中的网篮组织位错密度相对较高，不能阻止裂纹扩展。增材连接试样强度略高于母材，这是因为热影响区存在针状马氏体，马氏体内部的大量位错起到了位错强化作用。

TIG增材制造试样强度较高、塑性较低，这可能与组织内各向异性的原始β柱状晶粒和细小的网篮组织有关。与文献［23］相比，本文TIG增材连接中层间采用氩气冷却，此外连接时熔池可以向侧向过冷的基板散热，使得柱状晶粒尺寸降低，根据霍尔-佩奇公式可知，材料的晶粒越细小，强度越高。较小尺寸的柱状晶粒有利于形成更多的晶界，晶界强化和内部网篮组织在断裂过程中对于位错变形的阻碍作用有利于力学性能的提升。两种母材的晶粒尺寸较为粗大，所以强度较低。HIP试样的双态组织具有良好的延展性，因此延伸率最高。

2.3 室温拉伸断口分析

图6为试样拉伸断口形貌。由于增材连接试样断裂位置为HAZ-B区，增材连接试样与LDM试样断口形貌类似，故这里不再列出LDM试样断口。图6a—6c为拉伸断口的宏观特征，图6d—6f为拉伸断口的微观特征。由图6a—6c可以看到，拉伸试样宏观断口形貌的纤维区、放射区及剪切唇，其中增材连接试样和TIG增材制造试样表面比较平坦且剪切唇不明显。HIP试样（图6a）纤维区比增材连接试样（图6b）及TIG增材制造试样（图6c）的面积大，但放射区面积相对较小。放射区是裂纹快速扩展的区域，其面积越大，塑性就越小^［24］。HIP试样（图6a）的纤维区和剪切唇较大，放射区面积较小，这说明HIP试样的塑性、韧性更好。此外，在连接试样及TIG增材制造试样断口中可以观察到明显的柱状晶晶界（图6b、6c），两组试样发生穿晶断裂与沿晶断裂混合的断裂，说明试样的塑性不高，但强度较高。而HIP试样的断裂类型为裂纹穿过晶粒内部的穿晶断裂，说明试样的强度不高，但塑性较高，与拉伸数据结果一致。

与连接试样及TIG增材制造试样相比，HIP试样（图6d）韧窝大而深，塑性较高。图6d微观形貌由韧窝和撕裂棱组成。图6e、6f均存在光滑小平面，微观断口形貌由小平面、撕裂棱及韧窝组成，部分区域呈现解理特征，存在多个平行扩展的解理平面，属于半解理半韧性断裂。此外，图6e中解理断口区域存在突出的河流花样特征。图6f中发现解理刻面。河流花样特征及解理刻面的存在也说明连接试样与TIG增材制造试样塑性较差，与拉伸数据结果一致。

3 结论

本研究以HIP和LDM工艺制备的TA15合金为基体，采用TIG增材连接工艺进行连接，深入分析了TIG增材连接区与母材区界面间的微观组织演变过程，讨论了显微组织与力学性能的关系，主要结论如下：

（1）连接试样组织分为HIP、HAZ-A、TIG、HAZ-B和LDM5个区域，HIP区表现为等轴晶，微观组织为双态组织；TIG增材连接区呈现出细小的β柱状晶，微观组织为细小网篮组织；HAZ-A区呈现等轴晶；LDM区呈现出β柱状晶，微观组织为粗大网篮组织；HAZ-B区表现为粗化柱状晶，微观组织为杂乱的网篮组织。

（2）连接试样的抗拉强度σ_b为1 046.3±13.7 MPa，屈服强度σ_0.2为981.7±8.3 MPa，高于两种母材；延伸率δ为6.2%±0.6%，低于两种母材。连接试样断裂位置在HAZ-B区，连接试样强度略高于两种母材，这是因为热影响区存在针状马氏体，马氏体内部的大量位错起到了位错强化作用。

（3）拉伸试样均在HAZ-B区断裂，连接试样断口宏观特征较为平坦，放射区面积比例较大，微观特征由小平面、撕裂棱及韧窝组成，属于半解理半韧性断裂。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFC2801904)