引言

鈦合金因比強(qiáng)度高、抗沖擊性能優(yōu)異、耐海水腐蝕、高低溫力學(xué)性能穩(wěn)定且無(wú)磁性，是深海裝備的理想材料，素有"海洋金屬"之稱。在深海耐壓結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，采用鑄造TC4(Ti-6Al-4V)可有效減輕設(shè)備自重、提升容重比、縮減排水量，并大幅降低長(zhǎng)期防腐維護(hù)成本，顯著延長(zhǎng)裝備服役周期，因此，鑄造TC4鈦合金在深海耐壓構(gòu)件中應(yīng)用前景廣闊。用于深海耐壓結(jié)構(gòu)的鑄造TC4壁厚較大、剛性要求高，且鑄態(tài)組織存在成分偏析、縮松、氣孔等固有缺陷傾向;鑄件在后續(xù)焊接修補(bǔ)過程中，受高強(qiáng)度基體、厚大截面、高拘束度及殘余應(yīng)力疊加作用，極易誘發(fā)焊接裂紋[3-4]。鑄件內(nèi)部或表面一旦產(chǎn)生焊接裂紋，不僅造成工時(shí)與材料浪費(fèi)，更可能危及設(shè)備安全性與可靠性，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率和焊接修補(bǔ)質(zhì)量。因此，針對(duì)鑄造TC4鈦合金深海耐壓鑄件的焊接修補(bǔ)工藝，必須高度重視焊接裂紋的防控問題。

鈦合金焊接性能的好壞主要與焊接工藝有關(guān)，而焊絲的成分很大程度上決定了焊接后金屬的性能。徐穎昶等[5]選用了兩種不同β穩(wěn)定元素的焊絲對(duì)新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Sn合金進(jìn)行了鎢極惰性氣體保護(hù)焊，結(jié)果表明，焊絲中β穩(wěn)定元素含量較低的焊接接頭熔合區(qū)的平均硬度約為299.4HV，減小焊絲β穩(wěn)定元素含量能顯著粗化熔合區(qū)α片層，降低熔合區(qū)平均硬度。鄒升光等[6]選用了兩種不同材質(zhì)的焊絲對(duì)鈦合金進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接熔覆，結(jié)果表明Ti-6Al-4V熔敷金屬由針葉狀α相和網(wǎng)籃狀β相組成，晶粒較小，而Ti-4Al-3V-1.5Zr熔敷金屬主要由片層狀α相構(gòu)成，晶粒較大，兩者的強(qiáng)度和硬度差別較大，這是因?yàn)門i-6Al-4V中V元素的固溶強(qiáng)化和細(xì)晶作用以及高強(qiáng)度β相導(dǎo)致，Ti-4Al-3V-1.5Zr熔敷金屬的韌性更高，主要與Zr元素增韌作用相關(guān)。宋凱[7]研究了母材成分和TC4鈦合金焊絲對(duì)Ti5322合金焊接接頭組織與力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明TC4焊絲能夠有效降低Ti-5322焊縫區(qū)β穩(wěn)定元素的濃度，形成較長(zhǎng)的片狀α相，α相尺寸分布不均勻，導(dǎo)致試樣拉伸時(shí)應(yīng)力分布不均勻，焊接接頭硬度塑性均略低于母材焊絲。谷衛(wèi)華等[8]對(duì)比研究了Ti-Al-Mo-V-Zr合金體系焊絲與TC18同材質(zhì)焊絲的鎢極氬弧焊接接頭力學(xué)性能。結(jié)果表明:采用同材質(zhì)焊絲時(shí)，焊接接頭顯微組織主要為片狀α+β組織，晶界處分布有不連續(xù)α相，晶內(nèi)含有等軸α相。該組織雖能使接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的95%以上，但沖擊韌性不足母材的50%。而新研制的焊絲同時(shí)含有α穩(wěn)定元素(Al、Zr)和β穩(wěn)定元素(Mo、V)，優(yōu)化了焊縫區(qū)域的成分，使焊縫區(qū)形成細(xì)針狀α+β組織，實(shí)現(xiàn)了良好的強(qiáng)度與韌性匹配。

綜上，現(xiàn)有鈦合金焊接焊絲研究多聚焦于β相穩(wěn)定元素，而對(duì)α相穩(wěn)定元素(如氧)的作用機(jī)制探討尚不充分。鑒于此，本文系統(tǒng)研究不同氧含量焊絲對(duì)TC4鈦合金焊接組織與性能的影響，旨在為鑄造TC4鈦合金的焊接修補(bǔ)及后續(xù)相關(guān)研究提供理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選用的母材為ZTC4鑄造鈦合金板材，狀態(tài)為鑄造+熱等靜壓，采用3種不同氧含量(0.05、0.1、0.15)TC4焊絲進(jìn)行焊接，經(jīng)檢測(cè)，三種不同氧含量ZTC4焊絲化學(xué)成分如表1所示。

表1 不同氧含量ZTC4焊絲化學(xué)成分(wt.%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用手工鎢極氬弧焊接工藝，對(duì)厚度為6mm板材進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊接前對(duì)ZTC4試板進(jìn)行表面機(jī)械打磨去除氧化皮、油污等雜質(zhì)，并選用酒精擦拭備用，焊后對(duì)形成焊縫取樣，分析焊縫區(qū)域合金成分，采用ZEISS Axio Vert.A1型金相顯微鏡(OM)觀察宏觀和微觀組織及顯微組織，采用HVS-1000型顯微硬度儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試載荷為1kg，保載時(shí)間為15s。

表2 焊接工藝參數(shù)

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫區(qū)域氧含量變化

采用三種不同氧含量的焊絲焊接ZTC4母材后，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行了化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。結(jié)合表1可知，在鎢極氬弧焊焊接ZTC4鈦合金(母材氧含量0.13%)時(shí)，采用氧含量分別為0.05%、0.10%、0.15%的三種焊絲，所得焊接接頭的氧含量依次為0.06%、0.11%、0.16%。焊接接頭的氧含量隨焊絲氧含量的升高而單調(diào)增加，二者呈正相關(guān)關(guān)系。這一結(jié)果表明，焊絲中的氧含量是控制焊接接頭最終氧含量的主導(dǎo)因素。其原理在于:焊接過程中，焊絲與母材局部熔化形成熔池，熔池中的氧主要來源于焊絲和母材，兩者在熔池中充分混合。在焊接工藝參數(shù)保持不變的條件下，母材的熔化比例(即稀釋率)基本固定，因此焊絲帶入熔池的氧量越高，接頭整體的氧含量就越高。以焊絲氧含量0.05%為例，接頭氧含量為0.06%，略高于焊絲，這是由于母材(氧含量0.13%)的稀釋作用使焊縫氧含量略有提升，但整體趨勢(shì)仍由焊絲主導(dǎo)。此外，焊接過程中Al元素因燒損造成其在焊縫中的含量略低于焊絲，而V等其他合金元素的含量變化較小，可忽略不計(jì)。該結(jié)果說明，通過選擇不同氧含量的焊絲，可以有效調(diào)控ZTC4焊接接頭的氧含量，同時(shí)保持其他化學(xué)成分基本穩(wěn)定。

表3 三種不同焊絲焊后區(qū)域化學(xué)成分

2.2 焊縫區(qū)域顯微組織

圖1為三種不同氧含量焊接接頭的宏觀組織。當(dāng)焊絲氧含量為0.05%(接頭氧含量0.06%)時(shí)，焊縫區(qū)晶粒尺寸相對(duì)均勻，呈細(xì)小等軸狀分布。當(dāng)焊絲氧含量增至0.10%(接頭氧含量0.11%)及0.15%(接頭氧含量0.16%)時(shí)，焊縫區(qū)出現(xiàn)顯著粗大的晶粒;其中，0.15%氧含量條件下的焊接區(qū)域晶粒尺寸明顯增大，并形成不規(guī)則的長(zhǎng)條狀粗大晶粒，最大尺寸超過1cm。

圖2為不同氧含量下焊縫區(qū)域的微觀組織。隨著焊縫氧含量的升高，焊接區(qū)晶粒尺寸呈增大趨勢(shì)。與此同時(shí)，晶粒內(nèi)部α相的形態(tài)發(fā)生顯著變化:α相的連續(xù)性逐漸降低，其長(zhǎng)度減小，由連續(xù)的長(zhǎng)板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻罨蛩閴K狀分布;原本取向一致的α集束逐漸瓦解，形成尺寸不一、隨機(jī)分布于晶內(nèi)的集束狀組織。

進(jìn)一步觀察可見，α集束的長(zhǎng)度和寬度均減小，取向趨于混亂，失去明顯的方向性。當(dāng)氧含量達(dá)到0.15%(接頭氧含量0.16%)時(shí)，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的α相組織，其數(shù)量較之低氧條件下顯著增多。

上述微觀組織演變的根本原因在于氧在鈦合金中的α穩(wěn)定化作用。氧作為典型的α相穩(wěn)定元素，能夠提高α+β/β相變轉(zhuǎn)變溫度。隨著焊縫氧含量的升高，β→α相變點(diǎn)上升，在相同的焊接冷卻條件下，高溫β相向α相的擴(kuò)散型相變更易進(jìn)行，析出的α相數(shù)量隨之增加。然而，由于氧原子在固液界面及晶界處發(fā)生偏聚，一方面抑制了α相沿特定方向的擇優(yōu)生長(zhǎng)，另一方面降低了晶界遷移能，導(dǎo)致α相的長(zhǎng)大受到限制，形成短小、碎塊狀且取向混亂的α集束。因此，高氧含量條件下(0.16%)晶內(nèi)α相數(shù)量顯著增多，但其形態(tài)趨于細(xì)碎、無(wú)序，而低氧含量時(shí)(0.06%)α相則呈現(xiàn)較連續(xù)、規(guī)則且方向性較強(qiáng)的特征。

采用掃描電子顯微鏡附帶的能譜分析(SEM-EDS)對(duì)焊縫區(qū)域的氧含量進(jìn)行了線掃描分析，結(jié)果如圖3所示。線掃描結(jié)果顯示，焊縫區(qū)域的氧含量明顯高于母材區(qū)域，而母材區(qū)域的氧含量相對(duì)較低。以焊絲氧含量為0.15%(對(duì)應(yīng)接頭氧含量0.16%)的試樣為例，母材與焊縫之間存在顯著的氧濃度差異，表現(xiàn)為從母材到焊縫中心氧含量呈明顯上升趨勢(shì)。這一現(xiàn)象直接表明，焊絲中的氧含量對(duì)焊接接頭的最終氧成分具有決定性作用，即焊絲成分在熔池混合過程中主導(dǎo)了焊縫的氧含量分布。隨著焊絲氧含量的升高，焊縫與母材之間的氧濃度梯度亦相應(yīng)增大，進(jìn)一步證實(shí)了焊絲成分對(duì)焊接接頭氧含量的直接調(diào)控作用。

2.3 焊縫區(qū)域顯微硬度變化

對(duì)焊接接頭進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試，如圖4所示，測(cè)試路徑從一側(cè)母材區(qū)經(jīng)焊縫區(qū)至另一側(cè)母材區(qū)。結(jié)果表明，硬度分布整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，焊縫區(qū)域的硬度值最高，兩側(cè)母材區(qū)域硬度相對(duì)較低。不同氧含量焊絲所得接頭的硬度對(duì)比顯示，隨著焊縫氧含量的升高，焊縫硬度與母材硬度之間的差值逐漸增大。當(dāng)焊絲氧含量為0.15%(接頭氧含量0.16%)時(shí)，焊縫區(qū)域測(cè)得的硬度最大值達(dá)362HV。

上述硬度變化是因?yàn)檠踝鳛殁伜辖鹬械拈g隙固溶元素，在焊縫金屬中產(chǎn)生顯著的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。隨著焊縫氧含量的升高，氧原子點(diǎn)陣畸變加劇，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)，從而直接提高焊縫的顯微硬度。同時(shí)氧含量的增加使焊接接頭區(qū)域α相含量提高，進(jìn)一步提高了焊接區(qū)域的顯微硬度。最后在焊接過程中快速加熱與冷卻在焊縫區(qū)域引入了較大的焊接殘余應(yīng)力，尤其是壓縮殘余應(yīng)力，使焊縫金屬發(fā)生加工硬化效應(yīng)，進(jìn)一步提高其硬度。相比之下，母材未經(jīng)歷焊接熱循環(huán)，應(yīng)力狀態(tài)較為均勻，固溶氧含量也較低，因此硬度值明顯低于焊縫區(qū)。正是上述原因的共同作用導(dǎo)致焊縫硬度顯著高于母材，且隨氧含量增加而升高。

3、結(jié)論

本文研究了采用不同氧含量的焊絲對(duì)ZTC4鈦合金母材進(jìn)行鎢極氬弧焊時(shí)，焊接接頭的氧含量分布、宏觀與微觀組織演變以及顯微硬度變化規(guī)律。主要結(jié)論如下:

(1)ZTC4鈦合金焊接區(qū)域氧含量主要由焊絲控制，且隨著焊絲氧含量的升高，焊接接頭氧含量依次增加，分別為0.06%、0.11%、0.16%。低氧含量(0.06%)時(shí)焊縫晶粒細(xì)小均勻，α相連續(xù)且方向性強(qiáng);高氧含量(0.16%)時(shí)焊縫晶粒顯著粗化，形成不規(guī)則長(zhǎng)條狀晶粒，最大尺寸超過1cm。

(2)焊接接頭硬度從母材至焊縫呈先升高后降低的分布，焊縫區(qū)硬度最高，且隨焊縫氧含量增加，硬度與母材的差值逐漸增大，當(dāng)焊絲氧含量為0.15%(接頭氧含量0.16%)時(shí)硬度最大值達(dá)到362HV。該硬度變化主要由于氧的間隙固溶強(qiáng)化、氧促進(jìn)α相析出以及焊接殘余應(yīng)力共同作用。

參考文獻(xiàn)

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（注，原文標(biāo)題：不同氧含量焊絲對(duì)ZTC4鈦合金組織及性能影響_史昆）

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