TiAl合金电子束焊接接头裂纹敏感性及组织与性能

王金雪 张国栋 袁 鸿 余 槐 高健时

TiAl合金电子束焊接接头裂纹敏感性及组织与性能

王金雪 张国栋 袁 鸿 余 槐 高健时

（北京航空材料研究院，北京 100095）

通过调节焊接热输入、焊前预热及焊后缓冷等方法，研究了TiAl合金的电子束焊接裂纹敏感性，并测试了焊接接头的室温及高温拉伸性能。结果表明，减小焊接热输入和焊前预热及焊后缓冷工艺能够减小合金的裂纹倾向，改善焊缝组织的塑性、韧性，消除焊缝凝固裂纹的产生；焊接接头室温抗拉强度为367MPa，760℃高温抗拉强度为412.5MPa，室、高温拉伸试样全部断裂于母材部位，表明无裂纹的TiAl合金电子束焊接接头具有良好的室、高温拉伸性能。

TiAl合金；电子束焊接；裂纹敏感性；组织；性能

1 引言

TiAl基合金在高温结构材料应用领域具有极大的应用前景，是替代600℃以上钛合金、800℃以下高温合金的首选材料。TiAl金属间化合物具有密度低（仅为3.8～4.0g/cm）、比强度高、比弹性模量高等特点，其室温至800℃强度保持率达80%，另外还具有高的蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760～800℃长期工作，是非常具有发展前途的轻质耐高温结构材料。上世纪末美国在一项旨在把军用涡轮发动机推重比提高一倍的研究计划中,把TiAl系合金作为重点研究发展的高温结构材料。

国内TiAl金属间化合物方面还处于研制阶段，目前国内专家学者在TiAi金属间化合物的连接方面主要专注于其钎焊或固相连接方法，由于TiAi金属间化合物的热裂敏感性强，采用氩弧焊、激光焊、电子束焊接等熔化焊方法焊接时，获得无裂纹的焊接接头难度较大。本文通过调节焊接热输入和焊前预热及焊后缓冷等方法研究TiAl合金的电子束焊接裂纹敏感性，旨在改善焊缝组织的塑性、韧性，减小合金的热裂纹倾向，有效控制焊缝裂纹的产生。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

本文中试验材料为铸造后经热等静压处理的TiAl合金方棒，合金名义成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb，经机加工成65mm×20mm×2.5mm规格的焊接试板。

2.2 试验方法

电子束焊接工艺试验在北京航空材料研究院ELA-30型真空电子束焊机上进行，电子束焊接采用“Ⅰ”型平口对接形式，对接间隙不大于0.1mm。

由于焊缝凝固收缩、变形造成的应力较大，对于脆性较大的TiAl合金材料，焊接过程中产生的应力造成焊接裂纹。通过对焊接过程应力变形情况的分析，设计了专用焊接工装，降低拘束应力，如图1所示，有助于获得完整的焊接接头。

图1 TiAl合金试板电子束焊接专用工装

通过散焦电子束往返扫描的方式实现整个试板的预热升温，如图2a，预热温度在700～800℃之间。焊接时，在保证焊缝成形的前提下，采用尽可能小的焊接工艺参数，以降低焊接热输入。焊接程序结束后，立刻通过电子束散焦对焊接接头区域进行扫描加热，使焊接后试板的温度降低较少，降低焊后冷却速度。整个过程的温度曲线通过固定在试板上的热电偶和温度记录仪记录，温度测量位置如图2b所示。

图2 热电偶温度测量位置

3 试验结果与分析

3.1 焊接试验及结果

通过上述试验方法，对比研究了在同样预热和焊接参数的条件下，不同的焊后冷却速度与裂纹产生的关系。

针对2.5mm厚TiAl合金试板，编号为1～6，6组对接试板焊后冷却速度依次变缓，其焊接过程温度曲线如图3所示。焊后冷却速度相对较快的1#和2#试板焊后检查发现较为明显的裂纹，图4为1#试板焊后裂纹形貌，裂纹为垂直焊缝横向贯穿焊缝及母材，而焊后冷却速度依次趋缓的3#～6#试板焊后放置过程中未发现裂纹，如图5所示，焊接试板荧光及射线检测均未发现裂纹缺陷，焊缝质量满足GJB1718A—2005中I级焊缝要求。采用焊前预热以及焊后缓慢冷却的工艺，可以有效减小TiAl合金电子束焊接接头的裂纹敏感性，获得无裂纹的焊接接头。

图3 预热+焊接+缓冷整个过程温度变化曲线

图4 1#试板焊缝裂纹形貌

图5 3#～6#TiAl合金电子束焊接试板

3.2 断口及组织分析

对TiAl合金电子束焊接接头裂纹的断口进行了断口扫描电镜观察，发现母材、热影响区及焊缝均表现为脆性解理开裂的河流花样，如图6所示。母材及热影响区解理小刻面面积较焊缝处大，可能与焊缝细小组织有关。焊接接头各区域显微组织如图7所示，母材及热影响区为γ+(α2/γ)双相组织。与母材及热影响区粗大的片层组织不同，焊缝区片层更加细小，且分布不均匀。由于焊后冷却速度快，α相的分解受到抑制，并未转变为γ相，而是直接有序化形成α2相，因此，焊缝主要由有序的α2相及少量γ相组成，另外也有少量的B2相，B2相由熔池中结晶出的β相经过有序化得到，该相有利于提高合金的塑性，还可以通过缓解α2/γ界面上的应力集中，推迟α2相解理裂纹的形核。

图6 裂纹断口形貌

图7 TiAl合金电子束焊接接头微观组织

3.3 接头力学性能测试

焊接完成的TiAl合金电子束焊接试板经真空玻璃管封装后在空气炉中热处理，热处理制度为1010/6h，随炉冷却。随后测试焊接接头的力学性能，测试结果见表1。表中数据显示，焊接接头室温抗拉强度为367MPa，延伸率为1.4%；760℃高温抗拉强度为412.5MPa，延伸率为4.3%。接头室、高温拉伸试样全部断裂于母材部位，如图8所示，表明无裂纹的TiAl合金电子束焊接接头具有良好的室、高温拉伸性能。

表1 TiAl合金电子束焊接接头拉伸性能

图8 TiAl合金电子束焊接接头室、高温拉伸断裂试样

4 结束语

a. 减小焊接热输入和焊前预热及焊后缓冷工艺能够减小TiAl合金的裂纹倾向，改善焊缝组织的塑性、韧性，有效控制焊缝裂纹的产生。

b. TiAl合金电子束焊接接头裂纹断口显示，母材、热影响区及焊缝均表现为脆性解理开裂的河流花样，母材及热影响区解理小刻面面积较焊缝处大，可能与焊缝细小组织有关。

c. 焊接接头室温抗拉强度为367MPa，760℃高温抗拉强度达到412.5MPa，室、高温拉伸试样全部断裂于母材部位，表明无裂纹的TiAl合金电子束焊接接头具有良好的室、高温拉伸性能。

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3 陈国庆，张秉刚，何景山，等. 热输入对TiAl基合金电子束焊接接头性能的影响[J]. 焊接学报，2007，28(6)：85～88

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6 孔凡涛，臣子勇，田竟，等. 提高TiAl基合金室温塑性的方法[J]. 稀有金属材料与工程，2003，32（2）：81～86

Crack Sensitivity and Microsturcture and Mechanical Properties of Electron Beam Welding Joints of TiAl Alloy

Wang Jinxue Zhang Guodong Yuan Hong Yu Huai Gao Jianshi

(Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095)

The electron beam welding crack sensitivity of TiAl alloys were studied by adjusting the welding heat input, preheating before welding and slow cooling after welding. The tensile properties of the welded joints at room temperature and high temperature were tested. The results show that the reduction of welding heat input, preheating before welding and slow cooling after welding could reduce the cracking tendency of alloys, improve plasticity and toughness of weld microsturcture, and eliminate weld solidification crack. The tensile strength of the welded joints was 367MPa at room temperature and 413MPa at high temperature of 760℃. All the tensile samples at room temperature and high temperature were broken at the base material, that indicating the TiAl alloy electron beam welding joints without cracks had good tensile properties at room and high temperature.

TiAl alloy；electron beam welding；crack sensitivity；microsturcture；mechanical properties

王金雪（1980），高级工程师，焊接专业；研究方向：航空材料及结构焊接技术研究。

2021-01-08