CN106695064A - 一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法 - Google Patents

一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钛合金热处理及加工制造技术领域，具体涉及一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法。在α+β型及近β型钛合金热处理、氩弧焊或电子束焊接过程中，由于冷却速度较快，在热处理或焊接接头区域生成亚稳态的脆性马氏体相，导致钛合金的冲击韧性、断裂韧性较低。本发明在热处理条件下提供较高温度的冷却氛围；在氩弧焊条件下将坡口区母材加热到一定温度；在电子束焊接条件下采用三次焊接、每次熔合区逐步增大的焊接成型工艺。从而，优化热处理结构/焊接接头区域的温度场，减缓其冷却速度，抑制亚稳脆性相生成，提高焊接接头的韧性，适于α+β型及近β型钛合金的热处理、窄间隙焊接及电子束焊接工艺，应用于航空、航天、海洋等技术领域。

Description

一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法
技术领域
本发明涉及钛合金热处理及加工制造技术领域，具体涉及一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，适用于α+β型及近β型钛合金的热处理、窄间隙焊接及电子束焊接工艺，可被广泛应用于航空、航天、海洋等技术领域。
背景技术
钛合金因具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性能，在航空、航天、海洋等领域获得了广泛的应用。钛合金的热处理、窄间隙焊接及电子束焊接是钛合金应用的不可缺少的工艺处理手段，直接关系到在钛合金在航空、航天、海洋等领域的应用。
钛合金在α+β两相区或β单相区热处理时，存在一定比例的β相，对于薄壁或较小构件，热处理后冷却速度较快导致β相转变为亚稳态的脆性马氏体相，马氏体相具有较高的强度，但其韧性较低。窄间隙焊接或电子束焊接是将熔化的金属连接构件。由于焊缝熔合区及热影响区较窄，熔合区的热量以非常快的速度传递至热影响区及母材区，最终导致熔合区的液态/固态转变速度、固态β相的冷却速度较快，β相将转变为脆性的针状马氏体相。可见，钛合金薄壁构件热处理冷却过程中、窄间隙焊接及电子束焊接工艺都能够导致β相转变为亚稳马氏体相。因此薄壁钛合金构件热处理后的韧性通常降低，窄间隙焊接或电子束焊接接头的冲击韧性、断裂韧性通常仅能达到母材区的20％～70％，从而使焊接接头成为影响整个部件安全性的主要短板。为了消除钛合金中亚稳马氏体相的影响，可将构件置于钛合金α+β两相区进行热处理，使马氏体相转变为较厚的α片层，但由于热处理温度较高时，零件极易发生变形导致尺寸变化，因此在工程应用当中应尽量避免将薄壁件或焊接接头置于α+β两相区热处理。
目前，钛合金薄壁构件、窄间隙焊接/电子束焊接接头强韧性匹配不协调(具体表现为强度偏高、韧性偏低)的现状，已成为制约钛合金进一步推广应用的关键瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，进一步优化薄壁钛合金构件、窄间隙焊接/电子束焊接接头的强度韧性匹配(表现为降低焊接接头强度、提高其韧性)，提高结构的安全性及可靠性，进一步推广钛合金的应用范围。
本发明的技术方案如下：
一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，在热处理条件下，为热处理结构提供较高温度的冷却氛围，在不多于30秒的时间内将钛合金构件转移置于温度为200～300℃的环境中进行冷却；在氩弧焊条件下，采用窄间隙焊接，将坡口区母材加热至200～300℃；在电子束焊接条件下，采用三次焊接、每次熔合区逐步增大的焊接成型工艺。
所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，热处理保温后的冷却环境是电阻炉、封闭或半封闭的具有一定温度的腔体，钛合金构件在所述环境中冷却至500℃以下后取出。
所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，在窄间隙焊接前，通过感应加热或电阻丝加热，将窄间隙焊接构件坡口区域加热至200～300℃，并在焊接过程中保持坡口区域维持在该温度范围直至焊接完成；在500℃～600℃对焊接工件进行焊后去应力热处理，保温时间为3～6小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，在电子束焊接条件下，将钛合金材料置于真空环境下的电子束焊接舱体内，电子束焊接前，通过感应加热或电阻丝加热，将焊接接头区域加热至200～300℃，而后进行电子束焊接。
所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，在电子束焊接条件下，将钛合金材料置于真空环境下的电子束焊接舱体内，根据焊接工件厚度，调整电子束焊接电流，采用三步骤梯度焊接方式完成焊接，其中：第一次焊接熔合区深度为工件厚度的20％～30％，电子束焊接电流范围为2～3mA×δ，δ为焊接试板厚度，单位：mm；提高电子束焊接电流，使电子束焊接电流范围为第一次焊接电流的1.5～2.0倍，使第二次焊接熔合区深度达到工件厚度的55％～65％；进一步提高电子束焊接电流，使电子束焊接电流范围为第一次焊接电流的3.0～3.5倍，使熔合区已连续穿透的形式贯穿整个工件厚度，完成电子束焊接。
所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，电子束焊接完成后，在500℃～600℃对焊接工件进行焊后去应力热处理，保温时间为3～6小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
本发明中优化亚稳态钛合金强韧性匹配的工艺设计原理如下：
(1)钛合金的强度、韧性匹配与其由β→α转变过程中的冷却速度密切相关。薄壁钛合金构件固溶处理冷却过程中、窄间隙焊接熔合区及电子束焊接熔合区由β单相区至α+β两相区冷却速度较快，形成亚稳马氏体脆性相，导致薄壁构件/焊接接头的强度较高，但韧性偏低，因此需要采取工艺措施降低以上过程中β→α时的冷却速度。
(2)当有周围具有较高的温度场时，热处理后构件的冷却速度及焊接接头的冷却速度将降低。图1为通过计算模拟获得的4种环境温度条件下(RT室温、100℃、200℃、300℃)钛合金由1050℃降低至800℃的冷却速度曲线(1050℃至800℃区间为β→α转变的主要温度区间)，其中当外界环境温度为300℃时，钛合金的冷却速度约为环境温度为室温时的二分之一。由此可见，提高环境温度能有效降低β→α转变冷却速度，抑制亚稳脆性马氏体的形成，进而提高钛合金的韧性。
(3)钛合金构件热处理置于较高的环境温度下将降低构件的冷却速度。窄间隙焊接及电子束焊接前将母材区预热也可降低熔合区的冷却速度，而电子束梯度焊接工艺的第一步及第二步的主要作用是为焊接接头区域进行预热，提高第三步焊接前的母材温度，进而降低最终焊缝熔合区的冷却速度，优化焊接接头的强度韧性匹配。为避免金属元素在多次熔化的过程中过量挥发，因此梯度焊接工艺将主要采用三步焊接。
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果如下：
(1)通过热处理保温后采用高温氛围下的冷却、窄间隙焊接坡口区预热、电子束焊接前母材预热及电子束梯度焊接(前两步均具有预热作用)的方式，能够显著降低钛合金由β→α相的冷却速度，能够有效抑制亚稳马氏体相的形成，进而提高了构件的韧性，优化其强韧性匹配；
(2)对窄间隙焊接坡口区及电子束焊接母材区的预热同时降低了接头区域的残余应力；
(3)在本发明技术方案下，窄间隙焊接、电子束焊接焊后消应力所需的热处理温度较低(通常为600℃以下)较低温度下的消应力处理极大降低了工件在热处理过程中变形的风险，从而保证了焊接工件的尺寸精度。
附图说明
图1通过计算模拟获得的几种环境温度条件下钛合金由1050℃冷却至800℃时的冷却速度。图中，横坐标为温度Temperature(℃)，纵坐标为冷却速度Coolingrate(℃/s)。
图2为对比例1中钛合金板材显微组织形貌。
图3为实施例2中钛合金板材显微组织形貌。
图4为对比例2中窄间隙焊接熔合区显微组织形貌。
图5为实施例4中窄间隙焊接熔合区显微组织形貌。
图6为对比例3中电子束焊接熔合区显微组织形貌。
图7为对比例4中电子束焊接熔合区显微组织形貌。
图8为实施例5中电子束焊接熔合区显微组织形貌。
具体实施方式
在α+β型及近β型钛合金热处理、氩弧焊或电子束焊接过程中，由于冷却速度较快，在热处理或焊接接头区域生成亚稳态的脆性马氏体相，导致钛合金的冲击韧性、断裂韧性较低，降低了结构的安全性。在具体实施过程中，本发明提出优化具有亚稳态钛合金强韧性的方法包括：在热处理条件下，提供较高温度的冷却氛围；在氩弧焊条件下，将坡口区母材加热到一定温度；在电子束焊接条件下，采用三次焊接、每次熔合区逐步增大的焊接成型工艺。
在热处理条件下，钛合金构件热处理保温完成后，在不多于30秒的时间内将钛合金构件转移置于温度为200～300℃的环境中进行冷却，所述环境可以是电阻炉、封闭或半封闭的腔体等装置。钛合金构件在所述环境中冷却至500℃以下后取出。
在氩弧焊条件下，焊接前，通过感应加热、电阻丝加热等措施，将窄间隙焊接构件坡口区域加热至200～300℃，并在焊接过程中保持坡口区域维持在该温度范围直至焊接完成。在较低温度(通常为500℃～600℃)对焊接工件进行焊后去应力热处理，保温时间为3～6小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
在电子束焊接条件下，采用如下方案：
方案一：将钛合金材料置于真空环境下的电子束焊接舱体内，电子束焊接前，通过感应加热、电阻丝加热等措施，将焊接接头区域加热至200～300℃，而后进行电子束焊接。
方案二：将钛合金材料置于真空环境下的电子束焊接舱体内，根据焊接工件厚度，调整电子束焊接电流，采用三步骤梯度焊接方式完成焊接，其中：第一次焊接熔合区深度为工件厚度的20％～30％，电子束焊接电流范围为2～3mA×δ(δ为焊接试板厚度，单位：mm)；提高电子束焊接电流，使电子束焊接电流范围约为第一次焊接电流的1.5～2.0倍，使第二次焊接熔合区深度达到工件厚度的55％～65％；进一步提高电子束焊接电流，使电子束焊接电流范围约为第一次焊接电流的3.0～3.5倍，使熔合区已连续穿透的形式贯穿整个工件厚度，完成电子束焊接。电子束焊接完成后，在较低温度(通常为500℃～600℃)对焊接工件进行焊后去应力热处理，保温时间为3～6小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
下面，结合附图、对比例及实施例进一步详述本发明。
以一种α+β两相Ti62A钛合金(Ti-Al-Mo-Cr-V-Sn-Zr-Fe系)为例，详述本发明中提出的热处理技术方案、窄间隙焊接技术方案及电子束焊接技术方案。
将厚度为5mm的Ti62A合金3块板材(试板的长×宽为200×200mm)加热到β单相区(Tβ+40℃)保温1小时后在5秒内分别置于室温环境、200℃电阻炉、300℃电阻炉中，保持10分钟，以保证板材温度低于500℃。测试三种热处理条件下的拉伸强度及V型冲击韧性，测试结果如表1所示。
以厚度为40mm的Ti62A合金板材为对象(试板的长×宽为400×300mm)，窄间隙焊接中坡口区具有不同温度条件下熔合区的强韧性匹配。通过感应加热的方式，分别将窄间隙焊接坡口区温度控制在室温、200℃±20℃、300℃±20℃，并完成窄间隙焊接。焊后将焊接接头在540℃保温4小时后炉冷至100℃以下。试板热处理完成后沿垂直于焊缝的方向分别取试样测试拉伸强度、冲击韧性，其中拉伸试样平行段的中心及冲击韧性试样缺口均取在焊缝熔合区中心，断裂韧性试样的裂纹及缺口均取在熔合区且与焊缝平行，测试结果如表2所示。
以厚度为60mm的Ti62A合金试板(试板的长×宽为400×300mm)为对象，介绍不同电子束焊接工艺下焊缝的强韧性。对Ti62A试板分别进行一次焊接穿透、两次焊接(第一步熔合区高度约为试板厚度的1/3，第二步焊接穿透)以及梯度焊接工艺。本发明中的梯度焊接工艺分三步逐步使熔合区穿透整个试板厚度，其中第一步焊接使熔合区深度为工件厚度的20％～30％，实施例中电子束焊接电流为150mA；第二步焊接熔合区深度达到工件厚度的55％～75％，实施例中电子束焊接电流为260mA；第三步提高电子束焊接电流，实施例中电子束焊接电流为480mA，使熔合区已连续穿透的形式贯穿整个工件厚度，完成电子束焊接。钛合金梯度焊接的三步骤焊接中，后一步的熔合区要完全覆盖前一步骤的熔合区范围。电子束焊接试板的焊后热处理工艺均为：540℃保温4小时后炉冷至100℃以下。试板热处理完成后沿垂直于焊缝的方向分别取试样测试拉伸强度、冲击韧性，其中拉伸试样平行段的中心及冲击韧性试样缺口均取在焊缝熔合区中心，断裂韧性试样的裂纹及缺口均取在熔合区且与焊缝平行，测试结果如表3所示。
表1厚度为5mm的Ti62A合金3种热处理工艺下的力学性能
表2厚度为40mm的Ti62A合金3种窄间隙焊接工艺下的力学性能
表3厚度为60mm的Ti62A合金3种电子束焊接工艺下的力学性能
实施例1-2
5mm厚度的Ti62A板材固溶热处理后置于200℃、300℃氛围下，合金的韧性较室温条件有大幅度提升(表1)。
实施例3-4
窄间隙焊接试验中，坡口区温度为200±20℃、300±20℃条件下焊缝熔合区的韧性较未采取加热措施时有大幅度提升(表2)。
实施例5
表3中列出了采用本发明提出的梯度电子束焊接工艺方案下Ti62A合金的室温力学性能，焊缝熔合区的韧性较一次焊接、两次焊接有明显提升。
对比例1-4
分别将对比例1与实施例1、实施例2进行比较(表1)，将对比例2与实施例3、实施例4进行比较(表2)，将对比例3、对比例4与实施例5进行比较(表3)，可以看出，采用本发明中的工艺措施可提高钛合金薄壁热处理构件、窄间隙焊接接头、电子束焊接接头的韧性。图2～图8分别为对比例1、实施例2、对比例2、实施例4、对比例3、对比例4、实施例5的中的钛合金显微组织形貌，可以看出采用本发明中的相关工艺措施可使α片层明显宽化，有效减少了针状细小片层的比例，有利于钛合金构件的韧性。
实施例结果表明，通过本发明的技术手段，可优化热处理结构/焊接接头区域的温度场，减缓其冷却速度，抑制亚稳脆性相生成，提高焊接接头的韧性。

Claims (6)

1.一种优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，其特征在于，在热处理条件下，为热处理结构提供较高温度的冷却氛围，在不多于30秒的时间内将钛合金构件转移置于温度为200～300℃的环境中进行冷却；在氩弧焊条件下，采用窄间隙焊接，将坡口区母材加热至200～300℃；在电子束焊接条件下，采用三次焊接、每次熔合区逐步增大的焊接成型工艺。
2.按照权利要求1所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，其特征在于，热处理保温后的冷却环境是电阻炉、封闭或半封闭的具有一定温度的腔体，钛合金构件在所述环境中冷却至500℃以下后取出。
3.按照权利要求1或2所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，其特征在于，在窄间隙焊接前，通过感应加热或电阻丝加热，将窄间隙焊接构件坡口区域加热至200～300℃，并在焊接过程中保持坡口区域维持在该温度范围直至焊接完成；在500℃～600℃对焊接工件进行焊后去应力热处理，保温时间为3～6小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
4.按照权利要求1所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，其特征在于，在电子束焊接条件下，将钛合金材料置于真空环境下的电子束焊接舱体内，电子束焊接前，通过感应加热或电阻丝加热，将焊接接头区域加热至200～300℃，而后进行电子束焊接。
5.按照权利要求1所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，其特征在于，在电子束焊接条件下，将钛合金材料置于真空环境下的电子束焊接舱体内，根据焊接工件厚度，调整电子束焊接电流，采用三步骤梯度焊接方式完成焊接，其中：第一次焊接熔合区深度为工件厚度的20％～30％，电子束焊接电流范围为2～3mA×δ，δ为焊接试板厚度，单位：mm；提高电子束焊接电流，使电子束焊接电流范围为第一次焊接电流的1.5～2.0倍，使第二次焊接熔合区深度达到工件厚度的55％～65％；进一步提高电子束焊接电流，使电子束焊接电流范围为第一次焊接电流的3.0～3.5倍，使熔合区已连续穿透的形式贯穿整个工件厚度，完成电子束焊接。
6.按照权利要求1或5所述的优化亚稳态钛合金强韧性匹配的方法，其特征在于，电子束焊接完成后，在500℃～600℃对焊接工件进行焊后去应力热处理，保温时间为3～6小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
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伍碧霞: "TC6钛合金焊接工艺", 《电焊机》 *

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CN106695064B (zh) 2018-11-06

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