热处理对激光焊接β钛合金组织及性能的影响

张可召　何超威　戚宋歌　包晔峰　牛红志　严春妍

摘要：采用激光焊焊接Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr（wt.%）β钛合金，研究热处理对接头显微组织和拉伸性能的影响。由于激光焊接的冷却速率可达553 K/s，远大于β相向其他物相转变的临界冷却速率，所以焊缝显微组织由柱状晶形态的单一β相构成。在近热影响区，初生α相和次生α相均转变为β相，且β相晶粒尺寸增大;在远热影响区，尺寸较大的初生α相得以保留。780 ℃/1 h/WQ热处理后，焊缝中生成厚度约为150～350 nm、长度约为1～3 μm短棒状α相，焊接头强度和延伸率有所提高;780 ℃/1 h/WQ+500 ℃/6 h/FC热处理后，焊缝中生成厚度约为30～40 nm，长度约为150～300 nm的α相，接头强度进一步提高，但断裂发生在弹性变形阶段。

关键词：激光焊接;β钛合金;热处理;组织性能

中图分类号：TG456.5 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）12-0059-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.13

0 前言

钛合金凭借其比强度高、耐腐蚀和抗氧化性能优良等优点在航空航天领域应用广泛。近年来，含有较多β相稳定元素（如Mo、V、Fe）的β钛合金越来越受到重视[1-2]。目前国际上的β钛合金主要有BT22、Timetal555等，国内的Ti-1300、TB8等β钛合金也逐渐走出实验室，走向实际应用。

在生产制造复杂结构件的过程中不可避免的会涉及到焊接工艺，高效可靠的焊接工艺对推进β钛合金在航空航天领域的应用具有积极意义。目前，针对β钛合金的相关研究主要集中在材料的成分设计、工艺优化等方面[3-5]，β钛合金焊接方面的研究则相对滞后。Zhenglong Lei等[6]研究了TB8合金激光扫描焊接接头显微组织特征，并对比了不同焊后热处理制度下的组织和性能演变规律。焊缝在未热处理状态下其显微组织仅由单一β相构成，在550 ℃/1 h/空冷热处理后接头具有最佳室温和高温拉伸性能。马权等人[7]研究了热处理对Ti-1300β钛合金电子束焊接接头组织和性能的影响规律。结果果发现，焊缝物相主要由β相构成，α相的生成数量极少，焊前热处理对接头物相、性能的影响不大，焊后热处理过程中有α相生成，通过调整热处理参数可调节α相的数量、尺寸等，获得不同的拉伸性能。

文中针对Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr（wt.%）β钛合金的激光焊接特性进行研究，探索不同热处理参数对接头组织和性能的影响规律，对该合金的开发完善以及后续焊接工艺的制定具有参考作用。

1 实验材料及方法

实验所采用的β钛合金Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr（wt.%）为锻材。采用线切割方法制备成厚2 mm的薄片。焊接实验前采用磨床加工除掉样品表面线切割痕迹，经过酸洗、干燥后进行焊接。

激光焊接示意如图1所示，具体工艺参数为：激光功率1 200 W，焊接速度1.0 m/min，离焦量0 mm，正面保护气流量15 L/min，背面保护气流量5 L/min。考虑到焊缝区域主要由β相构成，选取焊后热处理参数如表1所示，通过HT1固溶处理和HT2固溶时效处理后能够获得不同尺寸、数量的α相，从而对比研究两種热处理参数下显微组织和性能的变化规律。

金相试样和拉伸试样均沿垂直于焊缝方向取样。金相试样在打磨抛光后采用Kroll试剂腐蚀，其具体比例为60%H2O+35%HNO3+5%HF。显微组织分析分别在扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）上进行，其具体型号分别为FEI Inspect F50、JSM-7800和FEI Tecnai G2 F20。在Oxford Instrumens C-nano上进行EBSD分析。在WD-5型电子万能拉伸试验机上进行室温拉伸实验。

2 分析与讨论

2.1 接头焊态组织分析

Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金激光焊接接头形貌的EBSD分析结果如图2所示。可以看出，焊缝由柱状晶形态的β相构成，其形成原因是：激光焊接能量集中，在熔池中会形成较大的温度梯度，β相晶粒沿着温度梯度最大的方向生长，最终形成柱状晶。在焊缝区域未见α相生成。当β钛合金中Mo当量达到或超过10%时，可以获得100%的β相[8]。Mo当量计算公式为[9]：

根据式（1）计算出Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr合金的Mo当量为10%。已有研究结果显示，在β钛合金中，当冷却速率大于3 ℃/s时，可以有效抑制β相向其他物相转变，进而得到100%的β相组织[10]。激光焊接的冷却速率可以利用式（2）定性计算[11]：

式中 k为热导率;ρ为密度;Cp为比热容;V为焊接速度;t为被焊板材厚度;q为激光功率，吸收系数为0.7;T为熔点;T0为室温，取25 ℃。计算涉及的部分热物理参数来自Ti-55531合金的相关参数[12]，如表2所示。据此计算出的冷却速率约为553 K/s，远大于形成单一β相所需的临界冷却速率，因此激光焊接焊缝物相为单一β相。

热影响区形貌EBSD分析结果如图3所示。可以看出，母材的晶界类型以2°～15°的小角晶界为主，而热影响区以15°～180°的大角晶界为主。小角晶界是在母材制备过程中由于位错运动形成的，在塑性加工的合金中较为常见;在热影响区，由于受到激光热源的热作用发生晶粒的回复和再结晶过程，位错密度大大降低;靠近焊缝的区域受到热作用最为明显，晶粒尺寸会进一步长大。与此同时，热影响区中α相的数量减少，越靠近焊缝的区域，α相的数量越少。

2.2 热处理对显微组织的影响

母材原始显微组织和热处理后的显微组织如图4所示。母材的原始组织如图4a所示，由基体β相、椭球状的初生α相以及细小的片层状次生α相构成。初生α相的形成温度一般略低于β相转变温度，而次生α相的形成温度一般在400～600 ℃之间。HT1热处理后，其显微组织如图4b所示，次生α相的数量显著减少，α相形态为短棒状。而经过HT2热处理后，其显微组织如图4c所示，细小且弥散分布的α相析出，尺寸较母材原始组织更加细小。

焊態的热影响区显微组织演变过程如图5所示。热影响区的宏观形貌如图5a所示，由于热影响区不同位置受到的热作用不同，显微组织表现出梯度变化的特征，结果与图3一致。在靠近焊缝的近热影响区，其显微组织如图5b所示，该区域受到的热作用仅次于激光热源直接作用的焊缝区域，母材原始组织中的初生α相和次生α相均在热作用下转变为β相，而由于激光焊接冷却速率较快，同时该合金中含有较多的β相稳定元素，β相被保留至室温，因此近热影响区的显微组织由单一β相构成;而在距离熔合线位置相对较远的远热影响区，初生α相由于其尺寸较大、转变温度较高而被保留下来，部分次生α相则会转变为β相，其显微组织如图5c所示。不同于近α型、α+β钛合金，β钛合金在热影响区无针状的α'相生成，而更倾向于生成β相。

热处理后的热影响区显微组织如图6所示。可以看出，在经过HT1热处理后，热影响区析出了短棒状的α相，显微组织如图6a所示。经HT2热处理后，又进一步析出了细小片层状α相，显微组织如图6b所示。

热处理前后的焊缝显微组织如图7所示。热处理前焊缝显微组织如图7a所示，焊缝由单一β相构成，与图2结果一致;热处理后，焊缝的显微组织演变规律和热影响区类似，在HT1热处理后，焊缝中出现短棒状的α相，如图7b所示;而在HT2热处理后，显微组织中既有HT1热处理时形成的短棒状α相，又有在HT2热处理时析出的细小片层状α相，如图7c所示。

为进一步分析热处理对焊缝组织的影响规律，利用TEM分析焊缝物相形态、尺寸，结果如图8所示。热处理前焊缝的透射结果如图8a所示，明场像表明焊缝中除基体β相外无其他物相生成;HT1热处理过程中形成的短棒状α相形貌如图8b所示，其厚度约为150～350 nm，长度约为1～3 μm;在HT2热处理过程中形成的细小α相厚度约为30～40 nm，长度约为150～300 nm，同时α相的数量更多，分布更为弥散，如图8c所示。

2.3 拉伸性能分析

母材和焊缝室温拉伸应力应变曲线如图9所示。在HT1热处理后，母材强度下降，而延伸率上升;在HT2热处理后，母材强度高于原始状态和HT1状态，但延伸率显著降低。对于激光焊接接头而言，焊态条件下强度最低，且在拉伸中无明显的塑性变形，断裂发生在弹性变形阶段;经过HT1热处后，相较于焊态，接头强度和延伸率均有明显上升;经过HT2热处理后，接头强度进一步上升，但延伸率下降。

热处理后母材和接头室温拉伸性能的变化主要来源于α相形态、尺寸和数量的变化。原始母材的显微组织由球状的初生α相和细小弥散分布的次生α相构成。经过HT1热处理后，母材原始组织中细小片层状次生α相几乎消失，在热处理过程中形成的短棒状α相的第二相强化作用弱于母材原始组织中的次生α相，因此母材强度降低，塑性提高。经过HT2热处理后，在HT1显微组织的基础上进一步析出细小、弥散的α相，其第二相强化作用促使母材强度提升，塑性下降。激光焊接焊缝的物相由单一β相构成，失去α相的强化作用，其强度较低，同时由于激光热源在熔池中形成较大的温度梯度，焊缝中β相为粗大柱状晶形态，接头延伸率也较低。经过HT1热处理后，焊缝中析出厚度约150～350 nm，长度在1～3 μm的α相，相较于焊态的单一β相可以起到第二相强化作用，因此其强度提高，同时结合母材的性能变化可知，HT1状态下的显微组织塑性优于原始状态和HT2状态，因此焊缝表现出一定的塑性变形能力。经过HT2热处理后，在HT1显微组织的基础上大量析出厚度约为30～40 nm，长度约为150～300 nm的α相。数量更多、尺寸细小的α相可以进一步提高焊缝强度，但接头塑性低于HT1状态。

3 结论

采用激光焊接方法焊接Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr（wt.%）β钛合金，并研究了热处理对接头显微组织和拉伸性能的影响规律，得到以下结论：

（1）焊缝物相由柱状晶形态的单一β相构成，在近热影响区初生α相和次生α相均转变为β相，在远热影响区仅有次生α相转变为β相，初生α相得以保留。

（2）780 ℃/1 h/WQ热处理后焊缝中生成厚度约为150～350 nm、长度在1～3 μm的短棒状α相，母材强度下降但塑性提高，而焊缝强度和塑性均提高。

（3）780 ℃/1 h/WQ+500 ℃/6 h/FC热处理后焊缝中会进一步生成厚度约为30～40 nm、长度约为150～300 nm的α相，母材和焊缝的强度提高，但塑性显著下降。

参考文献：

[1] 李蒙，凤伟中，关蕾，等. 航空航天紧固件用钛合金材料综述[J]. 有色金属材料与工程，2018，39（4）：49-53.

[2] Kolli R P，Devaraj A. A review of metastable beta titaniumalloys[J]. Metals，2018，8（7）：506.

[3] Lu J，Zhao Y，Ge P，et al. Precipitation behavior and ten-sile properties of new high strength beta titanium alloy Ti-1300[J]. Journal of Alloys and Compounds，2015（637）：1-4.

[4] Xiqun M，Hongzhi N，Yongjun S，et al. Microstructural Ev-olution and Mechanical Properties of Biomedical beta-TiAlloy Prepared by Spark Plasma Sintering Its PrealloyedPowder[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2019，48（10）：3095-3101.

[5] Zhaoxin D，Guolong L，Fei L，et al. Influence of Pre-agingon Microstructure and Mechanical Properties of CoarseGrained beta titanium Alloy[J]. Rare Metal Materials andEngineering，2019，48（3）：770-774.

[6] Lei Z，Chen Y，Ma S，et al. Influence of aging heat treat-ment on microstructure and tensile properties of laser osc-illating welded TB8 titanium alloy joints[J]. Materials Sci-ence and Engineering：A，2020：140083.

[7] 马权，辛社伟，宋凯，等. 热处理对Ti-1300高强钛合金电子束焊接组织和力学性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程，2019（8）：2723-2728.

[8] 莱茵斯 C，皮特尔斯 M. 钛与钛合金[M]. 北京：化学工业出版社，2005：33-34.

[9] 张平平，王庆娟，高颀，等. 高强 β 钛合金研究和应用现状[J]. 热加工工艺，2012，41（14）：51-55.

[10] Mingpan W，Xin W，Rui M，et al. Microstructural Evolutionand Continuous Cooling Transformation Diagram in Ti-1300 Alloy Under Continuous Cooling Condition[J]. RareMetal Materials and Engineering，2019，48（1）：97-103.

[11] Adams C M. Cooling rates and peak temperatures in fusionwelding[J]. Welding Journal，1958，37（5）：210-215.

[12] Bykov V A，Kulikova T V，Fishman A Y，et al. Thermop-hysical properties of Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr titaniumalloy[J]. The Physics of Metals and Metallography，2014，115（7）：705-709.

收稿日期：2020-10-07

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51804097，51879089）;中央高校基本科研業务费专项资金（B200202219）;常州市科技计划（CJ20190049）

作者简介：张可召（1987— ），男，博士，讲师，主要从事激光焊接方面的研究。E-mail：zhangkz@hhu.edu.cn。