高温钛合金激光焊接头组织及性能研究

作     者：姜文祥 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦优琼

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Ti60高温钛合金 激光焊接 显微组织 力学性能 焊后热处理 

摘      要：随着航空航天产业的大力发展,被称为“航天材料的钛合金受到了广泛的关注。钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好、高温热稳定性能好以及线胀系数小等一系列特点。为满足制造先进航空航天发动机的要求,使用温度达到600℃以上的高温钛合金已经成为各国研究的热点。Ti60合金是中科院金属研究所和宝钛集团联合研制的600℃高温钛合金。目前,钛合金在飞机以及航空航天发动机上的使用比例已经成为衡量其先进程度的重要指标之一。因此,本文在氩气的保护作用下使用纯激光对Ti60合金进行焊接。研究了接头的成形、显微组织特征以及室温(25℃)和600℃高温下的力学性能。并对Ti60激光焊接头进行焊后热处理试验,研究焊后热处理对于接头显微组织及力学性能的影响,以达到改善接头综合力学性能的目的。激光焊接可以获得成形良好,表面光滑平整且具有银白色金属光泽、未发生明显氧化现象的Ti60激光焊接头。在不同焊接工艺参数下,接头熔合区成“X形或者“沙漏形。熔合区上部、中部和下部宽度、热影响区最大宽度以及接头FZ的面积均随激光功率的增加而增加、随焊接速度的增加而减小。焊接过程中热量的不均匀分布导致接头分为三大区域:熔合区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材(BM)。根据距离焊缝中心的远近,热影响区可以被分为热影响区内部(near-HAZ),热影响区中部(middle-HAZ)和热影响区外部(far-HAZ)。Ti60激光焊接头FZ的主要组织是针状的α’-马氏体。随着线能量的增加,接头FZ内α’-马氏体的密度以及尺寸也随之增大,但当线能量增大到一定程度后α’-马氏体的改变不明显。与FZ组织相比,near-HAZ的马氏体尺寸和密度都有所减小;middle-HAZ呈现双态组织特征,为α’-马氏体和等轴α混合组织;far-HAZ只有部分β稳定元素含量较高的地方发生相变,为细小的等轴组织。Ti60激光焊接头的显微硬度测试结果表明:接头FZ的硬度最大,HAZ的硬度次之,BM的硬度最小。随着焊接线能量的增加接头FZ的最大硬度也有所增大。对Ti60激光焊接头分别进行室温(25℃)和600℃高温拉伸试验,结果表明:两种状态下,Ti60激光焊接头拉伸试件均断裂于母材位置,平均拉伸强度分别达到1191MPa(25℃)和771MPa(600℃),平均延伸率分别达到9.27%(25℃)和12.23%(600℃)。室温下接头的断裂形式为脆性断裂;在600℃高温状态下,Ti60激光焊接头发生了韧性断裂。本文采用940℃/2h,FC(炉冷)+600℃/1.5h,FC的焊后热处理工艺。与热处理前相比,经过焊后热处理的接头组织分布更加均匀,FZ和HAZ呈现出丛簇状的α组织特征。接头硬度同样呈现不均匀分布的特征,接头FZ的硬度稍高于HAZ,BM的硬度最小,相较于热处理前的接头FZ的硬度明显降低。在室温(25℃)和600℃高温状态下,经过焊后热处理的Ti60激光焊接头拉伸试件均断裂于HAZ位置,其平均拉伸强度分别达到980MPa(25℃)和728MPa(600℃),平均延伸率分别达到10.92%(25℃)和18.27%(600℃)。因此,合适的焊后热处理工艺可使接头强度达到母材强度的80%以上,且接头的塑形得到显著提高。焊后热处理可以有效地提高接头的综合力学性能。