TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能分析

（中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室，北京 100024）

TC4-DT钛合金是为了满足新一代飞机对长寿命、高损伤容限和良好耐久性的设计需求，在TC4钛合金基础上，通过成分设计优化、纯净化熔炼和β热加工工艺等途径，改善合金损伤容限性能，使其成为具有900MPa强度级别和高断裂韧性的损伤容限型两相钛合金[1]。TC4-DT钛合金的断裂韧性超过90（MPa·m1/2），性能与美国第四代战机F-22上用量最大的损伤容限型钛合金Ti-6Al-4V ELI相当，适合制造大型整体化框、梁和接头等航空构件，是未来飞行器主承力结构的重要选择材料之一[2-3]。航空器主承力结构具有尺寸大、结构复杂的特点，传统的铸造、锻造和机加手段难以直接制造此类结构。因此，亟须发展一种高效的焊接与连接技术，利用多个部分分体制造+整体焊接的手段，实现航空飞行器主承力结构的制造。

线性摩擦焊是近年来发展起来的一种新工艺，焊接过程中无须气体保护和真空条件，可实现大尺寸、大截面构件的焊接，并且接头的综合力学性能优良，能够满足高可靠性部件的使用要求[4]。在航空领域中，线性摩擦焊对大多数飞机结构材料具有良好的焊接适应性，尤其适用于承力构件所选用的高强度金属材料焊接过程[5]。

本文针对TC4-DT钛合金材料，开展其线性摩擦焊接头的组织分析和力学性能测试，为TC4-DT钛合金材料在飞机构件线性摩擦焊制造技术的应用中奠定技术基础。

1 试验方法

试验所用材料为TC-DT钛合金材料，其主要化学成分质量分数为：Al 5.6%～6.5%，V 3.4%～4.5%，其余为Ti；试件尺寸为130mm×20mm×75mm，焊接面积为1500mm2。在自行研制的线性摩擦焊设备上进行焊接，焊后进行接头的去应力退火处理，热处理温度为T=700℃，保温 3h。

采用光学显微镜JENAPHOT2000对母材及接头金相组织进行观察，并按照国家标准对TC4-DT母材和线性摩擦焊接头进行拉伸、冲击和低周疲劳性能试验，在Hitachi S-3400N扫描电镜下对性能断口进行观察。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

图1为TC4-DT线性摩擦焊接试样，可以看出，焊接试样的飞边颜色呈现铁锈色，飞边从接头的四周挤出，沿着试件振动方向的飞边（纵向飞边）长度较长，且飞边呈现波纹状的纹理；垂直于振动方向的飞边（横向飞边）呈现更细微的纹理。

图2为TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头的低倍组织形貌，可以看出，焊后两块试样的原始界面消失，接头分为3个明显区域：母材区（BM）、热力影响区（TMAZ）及焊缝区（WZ）。图3为TC4-DT线性摩擦焊接头各区域的显微组织。从图3（a）可以看出，TC4-DT钛合金母材的显微组织为片状组织，具有粗大的β晶粒和较完整的晶界α相。其中α相有两种形态，一种为等轴的初生α相，另一种为β晶粒内存在位向不同的α“集束”（片晶团），同一“集束”内有很多大致平行的α条，且α条也具有一定的长度[6]。TC4-DT的线性摩擦焊接头焊缝以及热力影响区非常狭窄，焊缝区为细小的层片状α相和一些弥散分布细小等轴α相以及残留的亚稳态β晶粒，其晶粒尺寸与热力影响区相比较小。摩擦焊接过程中界面温度超过基体材料的相变温度，焊缝组织发生相变再结晶。热力影响区晶粒严重拉长，拉长的方向沿着试样摩擦的方向，其组织由高度变形的晶粒组成[7]。

图1 焊接试样外形照片Fig.1 Figuration of a sample after welding

图2 TC4-DT线性摩擦焊接头显微组织Fig.2 Microstructure of the TC4-DT LFW joints

图3 TC4-DT线性摩擦焊接头各区域显微组织Fig.3 Regional microstructure of the TC4-DT LFW joints

2.2 力学性能测试结果

表1为TC4-DT母材和接头在室温、400℃高温拉伸测试结果。可以看出，TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头的室温、高温抗拉强度和屈服强度略低于母材，抗拉强度达到母材的97%以上，延伸率与母材相当。高温拉伸试验时，TC4-DT母材和线性摩擦焊接头的拉伸强度和屈服强度较室温试验低，延伸率较室温试验高。

表2为TC4-DT母材和线性摩擦焊接头的低温（-70℃）和室温冲击性能测试结果。可以看出，在低温和室温条件下，TC4-DT线性摩擦焊接头各区域的冲击性能均达到母材水平，室温冲击性能高于低温冲击性能。

图4对比了TC4-DT母材和线性摩擦焊接头低周疲劳性能曲线，其中红色线为TC4-DT线性摩擦焊接头的低周疲劳曲线，黑色线为TC4-DT母材低周疲劳曲线。可以看出，两条曲线基本重合，表明TC4-DT线性摩擦焊接头的低周疲劳性能与母材相当。

2.3 试验断口分析

图5为TC4-DT线性摩擦焊接头的拉伸断口形貌，断裂位置为母材。从图5（a）、（c）中可以看出，在相同倍数下，随着试验温度的升高，断口横截面积减小。从图5（b）、（d）中可以看出，TC4-DT线性摩擦焊接头的拉伸断口含有大量的韧窝，断裂形式为韧性断裂。随着试验温度的升高，材料中的晶界和相界对位错的阻碍作用减弱，使得试样强度下降，延伸率上升，断口周围的颈缩现象更加明显。

图6为TC4-DT母材和线性摩擦焊接头冲击断口纤维区形貌。可以看出，在不同的试验温度条件下，母材和接头断口纤维区都可以观察到大量的韧窝存在，断裂方式为韧性断裂。-70℃试验条件下，断口韧窝尺寸与韧窝深度略小于23℃条件下的断口，且存在较多的撕裂棱，撕裂棱周围存在大量由细小韧窝构成的区域，说明在-70℃试验条件下，试样出现一定脆性。由于线性摩擦焊接头的焊缝区和热力影响区组织相对母材细小，在相同冲击试验温度条件下，焊缝区和热力影响区的韧窝形貌较母材细小[8]。

表1 拉伸性能测试结果

表2 冲击性能测试结果

图4 TC4-DT母材和线性摩擦焊接头低周疲劳性能曲线(应变-循环周次)对比Fig.4 Comparison of the low-cycle fatigue curves（Δε/2-2Nf）for TC4-DT base metal and LFW joints

图5 TC4-DT线性摩擦焊接头拉伸断口形貌Fig.5 Fracture surface of the tensile samples for TC4-DT LFW joints

图6 TC4-DT母材和线性摩擦焊接头冲击断口形貌Fig.6 Fracture surface of the impact properties for TC4-DT alloy and LFW joints

图7为TC4-DT线性摩擦焊接头低周疲劳试样断口形貌，断裂位置为母材。图7（a）所示为低周疲劳断口的宏观形貌，从中可以分辨出疲劳裂纹扩展区和瞬断区；图7（b）所示为裂纹从试样的表面或近表面萌生，向试样中部扩展，扩展区较平整；图7（c）所示为裂纹扩展区断口的微观形貌，为典型的疲劳断口，断口中存在明显的细小疲劳条纹和二次裂纹[9]；图7（d）所示为试样发生断裂时的剪切唇形貌，剪切唇存在着拉长韧窝和等轴韧窝两种形态，表明其受到了剪切力和拉伸力的交互作用[10]。

图7 TC4-DT线性摩擦接头低周疲劳试样断口Fig.7 Fracture surface of low-cycle fatigue for TC4-DT LFW joint

3 结论

（1）TC4-DT线性摩擦焊接头可明显观察到3个区域：母材区（BM）、热力影响区（TMAZ）和焊缝区（WZ）。母材区为粗大的β晶粒和片状α相，焊缝区为细小的层片状α相和一些弥散分布细小等轴α相以及残留的亚稳态β晶粒，热力影响区晶粒严重拉长。

（2）TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头具有良好的综合力学性能，其室温和高温（400℃）抗拉强度达到母材的97%以上；在低温（-70℃）和室温条件下，TC4-DT线性摩擦焊接头冲击性能与母材相当；室温条件下接头的低周疲劳性能与母材相当。

（3）TC4-DT线性摩擦焊接头在拉伸试验、冲击试验和低周疲劳试验中均表现为韧性断裂。

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