高强亚稳β钛合金电子束焊接头组织及力学行为研究

作     者：丛成明 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵鸿金;张宇鹏;曾才有

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：钛合金 电子束焊接 显微组织 力学性能 变形机制 

摘      要：随着我国海洋强国战略重心逐渐向深海和远海战略发展,海洋装备的服役环境越加严苛。高强钛合金具有优异的比强度、抗疲劳性能和抗腐蚀性能,有“海洋金属的美誉,是促进海洋装备结构轻量化和保证服役可靠性的最佳选择。焊接是制造海洋装备的常用工艺,焊缝质量对结构可靠性有至关重要的影响。本文以新型低成本高强Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe(Ti-35421)亚稳β钛合金真空电子束焊接接头为研究对象,对接头各区域组织特征进行系统表征,对接头室温塑性变形行为展开研究,探究了接头力学性能恶化的微观组织机理。开展了接头焊后时效热处理工艺优化研究,探究不同热处理工艺参数对接头各区域组织演化、硬度分布及拉伸性能的影响规律,揭示了接头各区域微观组织优化匹配机制,提出了实现接头力学性能改善的热处理工艺优化策略。本文主要研究结果如下:高强Ti-35421亚稳β钛合金母材主要由轧制压长的β晶粒和双态析出相构成,析出相包括微米级条状初生α相(α,平均长度2.0±1.1μm)和纳米级片层状次生α相(α,平均长度258.7±148.4nm)。电子束焊接导致焊缝金属快速熔化和冷却,熔池温度梯度导致接头焊缝区内存在大量粗大柱状β晶粒,大的冷却速度导致晶内形成高密度弥散ω纳米颗粒(平均粒径6.1±1.3 nm)。热影响区内存在再结晶β等轴晶和压长β晶粒,α析出相含量减少。接头焊缝区平均显微硬度为302.7±5.4 HV,相比母材显微硬度显著降低了85.1 HV,接头焊缝区发生了显著软化。接头屈服强度为912.6±4.2 MPa,抗拉强度为930.2±2.5MPa,接头抗拉强度系数为0.83,接头延伸率仅为2.9%,仅达到母材延伸率的27%,接头塑性显著恶化。拉伸过程中应变分布结果表明,焊缝区首先发生屈服,随后塑性变形进一步集中在焊缝区,发生了显著的应变局域化现象,并最终在焊缝区中部发生断裂。断口表现出大量沿晶断裂和少量穿晶断裂的混合断裂模式。接头焊缝区塑性变形机制以位错滑移为主。接头时效处理后,随着时效温度的升高,焊缝区和热影响区的硬度逐渐升高,在450°C保温5 h后,焊缝区硬度达到最高值(520 HV)。时效温度为520°C,保温时间1～10 h,接头能获得强度和塑性的同步提升。在520°C时效时,接头强度随时效时间延长逐渐降低,延伸率随时效时间延长而逐渐增大。在520°C时效保温10 h,可使得接头抗拉强度升高至1117.3 MPa,延伸率达到8.8%,获得良好的强塑性匹配。焊后时效热处理过程中,焊缝区内弥散ω纳米颗粒消失,细小片层状α析出相可起到显著的析出强化作用,拉伸断裂位置转移至母材区,接头焊缝区强度得到显著强化,同时接头整体延伸率显著提高。