不同热处理制度下Ti–22Al–25Nb合金惯性摩擦焊接头显微组织分析

赵 强，祝文卉，帅焱林，刘佳涛，张 利 ，王 冉，尚 震，刘 悦

（1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司技术中心，沈阳 110043；2.沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，沈阳 110136；3.东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819）

Ti2AlNb是以有序正交结构O相作为主要构成相的金属间化合物合金[1–3]，该合金具有较高的高温强度和抗蠕变性能[4–5]，并且密度较低，是镍基高温合金的替代材料之一，在航空航天领域具有广阔的应用前景[6–8]。

针对Ti2AlNb合金的焊接技术有电子束焊[9–10]、激光焊[11–12]、扩散焊[13–14]、线性摩擦焊[15]等。但是在工程化应用过程中，Ti2AlNb合金的连接技术仍然存在一些关键问题未被完全解决。张力军[16]研究了Ti2AlNb合金钎焊焊接接头，结果表明随着连接温度和时间的增加，Ti2Ni、Ti3Al和TiNi化合物增加，Ti基固溶体减少，使接头呈现脆性断裂特征，界面处出现裂纹，降低了接头强度。吴爱萍等[17]采用电子束焊连接不同板厚和不同形状Ti2AlNb合金，结果表明Ti2AlNb 合金电子束焊接接头产生了再热裂纹，其形成的原因主要为升温过程中，焊缝区B2 组织转变为O相，晶界处形成B2+O 双相析出层，在高的残余拉伸应力作用下，O 相基体与双相析出层的界面应力超过其结合强度而产生再热裂纹。

惯性摩擦焊是一种固相焊接技术，已被广泛应用到先进航空发动机核心转子部件的制造中[18]。惯性摩擦焊焊缝组织为锻造细晶组织[19–20]，相比于电子束焊焊缝的柱状晶组织，惯性摩擦焊焊缝具有较低的裂纹敏感性，因此惯性摩擦焊技术是实现Ti2AlNb合金可靠连接的关键技术之一。国内外针对Ti2AlNb合金惯性摩擦焊已开展了一些基础研究[21]，但是对于焊后热处理对Ti2AlNb合金惯性摩擦焊接头组织的影响尚未进行系统研究。本研究采用惯性摩擦焊连接Ti2AlNb合金，分析焊态和热处理后焊接接头的组织变化，重点研究不同热处理制度对Ti2AlNb合金惯性摩擦焊接头显微组织的影响。

试验及方法

试验材料为Ti–22Al–25Nb合金，该材料母材晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为200～400μm，母材组织主要由B2相、O相和α2相构成，如图1所示，图中白色组织为B2基体相，灰黑色组织为α2相，呈颗粒状，灰色组织为O相，呈板条状，各区域相邻的O相板条趋于平行排列，试验用材料由钢铁研究总院提供。

图1 Ti–22Al–25Nb合金母材SEM组织Fig.1 SEM microstructure of Ti–22Al–25Nb alloy base material

采用OLYMPUS GX71金相显微镜（OM）、FEI Quanta 600扫描电子显微镜（SEM）观察焊接接头的微观组织形貌，腐蚀液的成分为100 mL H2O+2mL HF+5mL HNO3。

结果与讨论

1 焊接接头形貌

图2为无缺陷的、状态良好的Ti–22Al–25Nb合金惯性摩擦焊接头宏观形貌，由图2可见，焊缝区域在1～2mm范围，上侧飞边（外飞边）相对焊缝中心呈非对称分布，飞边连续、无中断，左、右飞边的结合处根部伸出母材，结合处未呈现深入母材内部的尖端形态。下侧飞边（内飞边）表现与外飞边类似特征。

图2 Ti–22Al–25Nb合金焊接接头OM宏观形貌Fig.2 OM macroscopic morphology of Ti–22Al–25Nb alloy welded joint

2 焊接接头热处理前后各区域微观组织形貌分析

原始态的焊接接头焊合区主要由B2相和少量残余α2相组成，O相全部溶解，如图3所示，焊合区的晶粒呈等轴晶粒，尺寸约在30μm左右，晶界清晰，连续且平直。残余α2相主要沿着晶界呈棒状或颗粒状形态分布，且数量较少，尺寸不大。

图3 原始态焊合区微观组织Fig.3 Microstructure of original welding zone

原始态的焊接接头热力影响区主要由B2相、残余O相以及残余α2相构成，该区域晶粒明显变形，呈流线状，沿着金属流动的方向分布。热力影响区的O相和α2相发生部分溶解，由图4（a）可见，靠近焊合区的O相完全溶解，α2相少量残留；由图4（b）可见，离焊合区较远的区域O相存在少部分残余，α2相溶解较少。热力影响区α2相发生明显变形，大量的α2相被挤压、扭曲，呈细长状，α2相在热力影响区的分布较母材更为密集。原始态的焊接接头热影响区主要由B2相、α2相以及残余O相构成，O相发生少量溶解，α2相未发生溶解，也未发生明显变形。

图4 原始态热力影响区微观组织靠近焊合区和远离焊合区Fig.4 Microstructure of original welding zone of thermo-mechanically affected zone close to welding zone and far away from welding zone

如图5所示，焊接接头经过热处理后焊合区析出大量的细小针状O相，杂乱分布于晶内，残余α2相的数量和尺寸未发生变化，焊合区晶粒尺寸未发生长大；热力影响区也析出大量细小O相，变形的α2相未发生长大或粗化；热影响区同时也析出细小针状O相，α2相未变化。

图5 热处理后焊接接头各区域微观组织Fig.5 Microstructure of different zones of welded joint after heat treatment

3 不同热处理制度下焊接接头各区域的显微组织

3.1 焊合区显微组织

图6为不同热处理制度下的焊接接头焊合区的微观组织。如图6（a）和（b）所示，HT1–2相比HT1–1热处理后，焊合区的O相尺寸和数量没有明显变化；由图6（c）和（d）可见，HT2–2相比HT2–1，焊合区的O相尺寸有所长大；图6（e）和（f）显示，HT3–2相比HT3–1，焊合区的O相尺寸也发生了长大。由上述现象发现，当温度处于较低温度时，热处理时间的长短对焊合区O相长大和粗化没有产生显著的影响；随着温度的升高，热处理时间则会对焊合区O相的长大和粗化产生较为明显的影响。

由图6（a）、（c）、（e）可见，当热处理时间较短时，随着热处理温度的升高，焊合区的O相会发生长大现象；如图6（b）、（d）、（f）所示，当热处理时间变长时，随着热处理温度的升高，焊合区的O相则进一步发生了明显的长大，但是长大后O相尺寸仍然远小于母材的O相尺寸。

图6 不同热处理制度下焊合区SEM组织Fig.6 SEM microstructure of welding zone with different heat treatments

综上所述，温度和热处理时间共同决定了焊合区O相的数量和尺寸的变化，但是相比时间的变化，热处理温度的变化对O相的影响更为明显；当热处理温度处于780～850℃时，焊合区O相的长大幅度较小，长大后的尺寸仍然远小于母材的O相尺寸。

3.2 热力影响区显微组织

图7为不同热处理制度下热力影响区的微观组织，热处理后热力影响区重新析出大量O相，呈细小针状；在焊接过程中未溶解的残余O相热处理后没有发生明显的长大和粗化，被挤压和拉长的α2相数量和尺寸未变化。HT1–2相比HT1–1，热力影响区的O相尺寸和数量没有明显变化，如图7（a）～（b）所示；HT2–2相比HT2–1，热力影响区的O相尺寸有所长大，如图7（c）～（d）所示；HT3–2相比HT3–1，热力影响区的O相尺寸发生了较为明显长大，如图7（e）和（f）所示。

由图7可观察到与焊合区相同的现象，当热处理时间较短时，随着热处理温度的升高，热力影响区的O相发生不太显著的长大；当热处理时间变长时，随着热处理温度的升高，热力影响区的O相则发生比较明显的长大。更高的温度热处理后，原来分布较为杂乱的细小针状O相则转变为平行排列的较大尺寸O相。

图7 不同热处理制度下热力影响区SEM组织Fig.7 SEM microstructure of thermo-mechanically affected zone with different heat treatments

3.3 热影响区及过渡区显微组织

热影响区在焊接过程中仅受到焊接热输入的影响，O相和α2相没有发生变形，O相受到高温影响发生少量溶解，α2相未发生溶解，是由于α2相相变温度高于O相，传递到该区域的温度低于α2相相变温度[24]；热力影响区与热影响区的过渡区域的部分O相和α2相发生了变形，但是变形的程度远小于热力影响区靠近焊合区的区域，过渡区域还存在一些尚未发生变形的α2相，该区域的O相较热影响区发生溶解的数量更多。图8为不同热处理制度下热影响区、以及热力影响区与热影响区的过渡区域微观组织。可观察到，经过不同热处理后，热影响区析出针状O相，随着温度升高，热处理时间增长，O相发生粗化现象，α2相未发生变化；不同热处理后，热力影响区与热影响区的过渡区域的变形α2相未发生变化，O相发生粗化和长大。

图8 不同热处理制度下热影响区及过渡区SEM组织Fig.8 SEM microstructure of heat affected zone and transition zone with different heat treatments

3.4 母材显微组织

图9为不同热处理制度下母材的微观组织。可见，在780～850℃的热处理，对于母材大尺寸板条O相和α2相的尺寸和数量没有显著的影响。当热处理温度较低时，在大尺寸O相之间会析出细小针状O相；随着热处理温度升高，时间延长，细小针状O相发生粗化，转变为平行排列的较大尺寸O相。

图9 不同热处理制度下母材SEM组织Fig.9 SEM microstructure of base material with different heat treatments

结论

（1）利用惯性摩擦焊技术可获得无缺陷、焊缝状态良好的Ti–22Al–25Nb合金焊接接头；母材为B2+O+α2三相组织的原始态焊接接头焊合区主要由B2相和少量残余α2相组成，O相全部溶解；热力影响区主要由B2相、残余O相以及残余α2相构成；热影响区主要由B2相、α2相以及残余O相构成。

（2）温度和热处理时间共同决定了焊合区O相的数量和尺寸的变化，相比时间的变化，热处理温度的变化对O相的影响更为明显；当热处理温度处于780～850℃时，焊合区O相的长大幅度较小，长大后的尺寸仍然远小于母材的O相尺寸；热力影响区O相呈现与焊合区相同的演变规律；随着温度升高，热处理时间增长，热影响区O相发生粗化现象，α2相未发生变化。