新型Ti-3Al-2Mo-2Zr(TA24)钛合金板焊接及热处理工艺研究

引言

新型Ti-3Al-2Mo-2Zr(TA24)合金是在工业纯钛基础上添加2.0%～3.5%铝、1.0～3.0%锆、1.0%～2.5%钼等合金元素，形成α为基，含有少量β相的近α合金。元素铝和中性元素锆在钛中以置换固溶体形式存在，钼除固溶于α相之外，余量与钛形成少量β相［1］，通过合金元素固溶强化和少量β第二相强化，形成室温和高温强度高、韧塑性好、低温高温性能优异，且具有良好加工性能的中等强度钛合金，是近年开发用于海洋工程的潜在高性能材料。

钼、锆等耐蚀合金元素加入，在大幅提高钛合金强度同时，使新型钛合金具有优良耐缝隙、应力和抗磨损腐蚀能力，成为具有较强潜力的化工、氯碱等耐蚀高温场合应用结构材料。新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金开发成功以来，材料供应商对从合金锻造、轧制、铸造工艺及组织性能等方面开展了深入研究，形成锻件、板材、管材、棒材等型材［2］，并配套相应焊接材料。随着我国近年走向深蓝海洋工程推进，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金作为焊接结构件及容器用材料开始推广应用，但由于前期应用较少，材料加工、焊接及热处理总结公开可借鉴资料极少。借鉴工业纯钛焊接工艺对其GTAW焊接工艺进行了初步探讨，在焊后热处理方面未见综合性技术研究的报道。笔者在研究纯钛及相关钛合金焊接性［3］基础上，对新型钛合金焊接及热处理性能进行探究。以进一步了解新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接性特点，提出合理焊后热处理工艺参数，完善新型Ti-3Al-2Mo-2Zr中等强度钛合金成型加工工艺技术，为推动新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金的广泛应用提供技术支撑。

1、试验

1.1材料

新型钛合金Ti-3Al-2Mo-2Zr板材，牌号TA24，商业牌号Ti－75，退火态［2］，规格400mm×125mm×17mm，数量6组;配套焊丝牌号Ti-75A，焊丝直径2.0、3.0mm，低杂质稍低合金元素含量。试验母材和焊丝化学成分见表1，母材力学性能见表2。

焊接气体及电极:保护气体为99.99%氩气，符合GB/T4842《氩》要求，氩气露点不低于－50℃，电极为铈钨极，型号WCe-2.0，直径为3.0mm。

1.2高温拉伸试验

选用与焊接试板母材同批号新型Ti-3Al-2Mo-2Zr板材分别制备6组棒状标准拉伸试样，在550、600、650、700、750、800℃等温度下分别进行拉伸试验。试件编号按温度从低到高依次为1^-1～1^-6。

1.3焊接及焊后热处理试验

1)试验方案

制备焊接试板，无损检测(包括外观检测VT、着色检测PT、射线检测ＲT)合格后，按不同热处理参数分别进行焊后热处理［4］，制备拉伸、弯曲、冲击、硬度和微观金相试样进行试验，具体方案见表3。

2)焊接试件制备

试件采用单面V型坡口，如图1所示。焊接前检查焊接环境、焊接设备、保护系统均处于正常工作状态;严格清理焊件、焊接材料，试板组对预留10°～15°反变形，两端增加同材质等厚刚性固定板，氩弧焊点固;采用多层多道焊，焊道层次如图1所示，焊接过程中对焊接试件300℃以上高温区域进行合理惰性气体保护［5－6］，具体焊接参数见表4。

3)检测和试验

完成焊接试件接头无损检测合格后，对编号2－2～2－6试板按规定热处理参数分别进行焊后热处理，随后将2－1～2－6号试板分别制备力学性能(拉伸、弯曲、硬度)及金相分析试样，并进行各项试验。

2、试验结果及分析

2.1无损检测

1)跟踪试件焊接过程，检查试件焊缝表面外观，结果表明层道间保护良好，表面银白色，焊后试板变形角度小于1°，焊道光滑美观;2)按NB/T47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分:渗透检测》进行着色检测，焊缝表面未发现缺陷，I级合格;3)按NB/T47013.2—2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》进行全部射线检测，技术等级为AB级，像质计为像质计6Ti12，检测结果评定均为I级片。

跟踪检查试件焊接过程及完成接头表面，焊道及试件接头表面均为银白色，当试件焊缝厚度达到10mm以上时，尾保护采用小罩保护、背保护取消，控制层道间温度，焊道保持银白色状态，表明新型钛合金焊接过程散热条件好;试件焊接采用单面焊背面封底，采用反变形和强制固定防变形，配合多层多道焊，强制固定条件下，焊道及焊缝未出现开口缺陷，表明焊缝金属具有较好抗裂性;试件焊缝着色和射线检测，表面和内部均未发现裂纹、气孔、未熔合等缺陷，接头质量优异，表明采用氩弧焊焊接TA24，保护和防污染措施符合要求的情况下，焊接接头具有良好塑韧性和冶金焊接性，不会出现间隙元素污染及气孔等问题。

2.2力学性能

1)高温力学性能

合金Ti-3Al-2Mo-2Zr高温力学性能试验结果见表5，典型高温曲线如图2所示。

由表5结果看，随试验温度提高，强度呈下降趋势，高于650℃时，强度下降明显，750℃与800℃时屈服强度变化不大，延性降低;断面收缩率和延伸率在低于650℃时较为稳定，在700℃时显著提高。根据焊后高温加热屈服蠕变消应力机理，屈服强度降低和延伸率提高将有利于焊接应力促进金属实现屈服蠕变，保障焊后消除应力热处理顺利有效实施，因此650～750℃焊后消应力热处理的效果更好。

图2为几种典型温度拉伸力值F－变形L曲线，纵轴为力值F，横轴为变形量L。从拉伸力值—变形曲线看，650℃时，Ti-3Al-2Mo-2Zr合金高温拉伸时仍保持了一个稳定持久的高强抗拉性能，当700℃时高强度持续时间显著缩短，有利于金属在焊接应力作用下实现快速蠕变屈服，确保焊后消应力效果。

2)焊后热处理接头性能

参照JB/T4745—2002《钛制焊接容器》机加工制备新型钛合金焊接接头标准板状拉伸试样、侧弯试样、10mm×10mm×55mm焊缝V型缺口冲击试样，试验结果见表6。

从拉伸试验结果看，新型钛合金焊接接头拉伸试样均以塑性断裂形式断于焊缝。焊接状态下焊缝与母材等强，随着热处理温度提高，焊接接头抗拉强度呈逐渐下降趋势，800℃，1h热处理后，接头抗拉强度仍达到母材的85%，高于母材最低抗拉强度要求，说明本焊接工艺条件下，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接头未出粗大组织造成性能变化，经过低于相变的加热过程后，合金和焊接接头依然具有较高强度。说明材料及焊接接头具有较好耐热性能。

参照JB/T4745—2002《钛制焊接容器》制备新型钛合金弯曲试样，按α=90°，D=10s弯曲参数进行弯曲试验，各组侧弯试样拉伸面没有发现超标开口缺陷，有个别试样出现开口，但小于3mm;新型Ti-3Al-2Mo-2Zr钛合金0℃V型缺口冲击值在60～80J变化，热影响区稍有降低，冲击吸收功随热处理温度的变化不明显，表明新型钛合金在焊接和不同温度焊后热处理后均表现良好的塑性和韧性。

2.3硬度及微观金相组织

2.3.1硬度检测

对所有焊接及热处理试件制备金相试样，进行微观金相分析和HV10硬度检测(检测方法按图3)，检测结果见表7。

对表7结果分析来看，焊缝硬度低于母材，热影响区硬度高于母材，随焊后热处理温度提高，焊接接头各区域的硬度有稍许降低;试验2－1和2－6焊缝、热影响区硬度高低差异较大，其余试验接头各区硬度差异较小，且较均匀;表明焊接状态和800℃高温焊后热处理接头，存在焊接应力或明显组织不均匀性，在550～750℃焊后热处理，随温度提高，焊接应力降低，组织均匀性改善，接头硬度差异减小，表明焊后热处理对新型钛合金焊接应力变化和焊缝局部抗变形能力有一定作用。

由于填充金属选用了低合金化、低杂质焊接材料，焊缝合金含量低，焊接时多层多道焊后焊道对前层焊道热处理作用，造成焊缝硬度低于母材;热影响区由于焊接多次加热快冷造成组织不均匀和脆硬组织出现，硬度有所提高。

2.3.2微观金相检测

对新型钛合金焊接及热处理试件的微观金相试样进行分析，典型温度焊接接头微观组织检测结果见图4～6。

由图4～6可见，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接头，母材显微组织由块状、大量片状α相及少量β相组成，块状和片状α相孪晶生长，层状分布;热影响区块状、片状和针状α存在，未发现明显粗大组织;焊缝组织为大量大片状α和少量β组织，组织大小差异很大。随焊后热处理温度提高，母材块状α减少，片状α增多，热影响区块状α减少，片状和针状α稍微长大，焊缝组织不均匀性更加明显［7－8］。

新型钛合金焊接接头主要由片状或针状、少量块状α和β相组成，铝、锆置换固溶于α钛，少量β第二相存在，形成大量片状或针状α且孪晶生长，保证材料及焊接接头具有较高强度;随焊后热处理温度提高，置换固溶体的高温组织稳定性使新型合金组织稳定性提高，高温加热后片状或针状α稍微有所长大，硬度和强度稍有下降，但依然能保持较高强度。大片状α和少量β相微观组织焊缝，热影响区针状α组织存在，使焊缝硬度较低，热影响区硬度较高，这与焊接过程中焊缝、热影响区受热过程不同有关。

3、结论

根据对新型Ti-3Al-2Mo-2Zr钛合金试验过程及结果分析，可以看出:

1)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金采用钨极氩弧焊焊接，选用低合金低杂质配套焊丝，在上述焊接工艺措施条件下，焊接过程稳定，接头质量优异，具有良好冶金焊接性。

2)随试验温度升高，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金强度呈下降趋势，高于650℃后，强度显著下降，700℃左右塑性显著提高，根据焊后热处理机理，新型合金热处理应在650～750℃进行焊后热处理，有利于保证焊后热处理的效果。

3)在设定的焊接试验条件下，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接头，焊态可达到与母材等强，在低于相变温度下进行焊后热处理后，接头均保持极高强度，高于母材最小抗拉强度要求，表明其具有良好耐高温性能。

4)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接头高强度及良好综合性能与合金元素形成的置换固溶及少量β第二相的稳定存在有关，置换固溶体和少量第二相的存在，保持了片状或针状α大量存在且孪晶生长，受热影响组织变化较小，使材料和焊接接头保持了高强度和和耐热性，且具有良好的塑韧性和致密性;由于含有钼和锆，具有与TA10相当的耐蚀性，是一种在耐蚀行业同样具有潜在使用价值高性能耐蚀耐热钛合金。

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