钛合金电子束焊接接头显微组织及疲劳性能研究

摘要

钛合金具有低密度、高强度、良好的可焊性等优点而常被作为结构材料在航空工业上得到广泛的应用。焊接是结构材料最常用的连接方式之一,焊接接头的疲劳性能是一个重要的评价指标。由于电子束焊接是一个快速加热和凝固的非平衡加工过程,因此焊接接头的形状及其内部微观组织特点与变化对接头疲劳性能影响的研究对优化焊接工艺参数、评价并提高接头疲劳性能有重要的意义和参考价值。
　　本试验研究TC4和A15两种钛合金厚板电子束焊接接头的微观组织特点并对焊接接头组织不均匀性提出了组织梯度模型这种新的表征方法;采用分区、分层方式研究了焊接接头的组织梯度对疲劳寿命尤其是疲劳裂纹扩展速率的影响。利用透射电子显微镜(TEM)分析了TC4焊接接头不同区域的疲劳裂纹尖端微观组织形态。探讨了在两种钛合金焊接接头的宏观织构与纳米压痕法测得的弹性模量以及它们之间的关系。利用EBSD技术,首次研究了TC4焊接接头热影响区和熔凝区内的晶体取向及其对疲劳裂纹扩展路径的影响。主要结论如下:
　　TC4和TA15焊缝熔合线附近的线扫描结果显示出两种钛合金焊缝熔合线附近成分分布变化较小,合金元素烧损较少且分布较均匀。两种钛合金电子束焊接接头熔凝区显微组织主要为α'马氏体,TC4熔凝区的TEM观察表明仅存在极少量的β相。采用组织梯度模型计算表明TC4厚板的漏斗形、钉形、钟罩形和楔形四种形状焊接接头中,钟罩形焊缝的显微硬度梯度低于其他三种形状的焊缝,热影响区的显微硬度梯度均明显高于母材和熔凝区。不同厚度处的显微硬度梯度不同,5/6厚度处的显微硬度梯度高于3/6和1/6厚度处。由焊缝根部至表面,柱状晶长度纵向变化梯度增大。钟罩形焊缝的柱状晶长度纵向变化梯度值在四种焊缝形状中最低,这表明钟罩形焊缝有最小的组织不均匀性。
　　组织梯度最低的钟罩形接头具有最高的平均疲劳寿命,而组织梯度较高的楔形接头平均疲劳寿命最低。裂纹易萌生于焊缝中组织梯度较大的热影响区或熔合线附近。组织梯度越大,疲劳裂纹扩展速率越高。相比于熔凝区,热影响区有更高的组织梯度因而有较高的裂纹扩展速率。疲劳断口的SEM图中显示了熔凝区的疲劳辉纹间距较热影响区的更细小。由于接近焊缝根部处的熔凝区比接近顶部的有较高组织梯度,因此5/6厚度处的熔凝区比1/6厚度处有更大的疲劳裂纹扩展速率。而不同厚度处的热影响区组织梯度区别不大,因此它们的疲劳裂纹扩展速率未见明显差异。
　　在TC4母材的疲劳裂纹尖端,较粗大的等轴状初生α晶内位错较多。位错易在α/β和α/α界面处产生排列和塞积,此处容易产生疲劳裂纹。在熔凝区疲劳裂纹端部位错集聚在马氏体板条间,形成高密度的位错网。在裂纹端部及裂纹边缘的周围均产生一定的微观塑性变形,形成了较大的微观塑性变形区。夹杂在较宽马氏体板条间的细马氏体板条阻碍了位错的运动与传播,使得应力在此集中导致板条被剪切破断。在热影响区,等轴初生α晶和马氏体的力学性能和变形方式不匹配,导致位错在相界处塞积。微观塑性变形主要集中于等轴初生α晶内,微观组织上的非均匀性导致了微观塑性变形有一定的选择性。
　　TC4和TA15母材中分别存在较强的{0001}<1010>和{0001}<2110>型基面织构。在TC4焊接接头熔凝区只存在很弱的{1123}<1122>织构,在TA15焊接接头熔凝区存在很弱的{0111}<2110>和{0112}<1212>织构,熔凝区晶粒取向宏观上接近于随机分布。纳米压痕法测试两种钛合金母材、热影响区和熔凝区六方相的弹性模量,母材中存在的{0001}基面织构使得母材的平均压痕弹性模量最高。而在平行于RD的恒应力疲劳拉伸载荷下,焊接接头弹性模量的变化将加剧热影响区塑性变形的不协调性,降低疲劳性能。
　　热影响区疲劳裂纹扩展路径上,{1010}<1210>柱面滑移系的Schmid因子较高,有利于临界分切应力较低的柱面滑移系开动。{0001}<1120>基面滑移系Schmid因子尽管接近于柱面滑移系,但其临界分切应力较高而难以开动。热影响区疲劳裂纹在取向相差不大的粗大晶粒内扩展路径相对较为平直。熔凝区细片状的α'马氏体在初生β晶内形成并相互交织,马氏体片间主要为大角晶界,马氏体片(束)间取向差别较大。熔凝区疲劳裂纹主要为穿晶扩展方式,扩展路径较为曲折。在熔凝区疲劳裂纹扩展路径上,大多晶粒的基面滑移系Schmid因子较高,显示其取向更有利于基面滑移系的开动。但较高的临界分切应力使得基面滑移系实际开动困难,增加了裂纹扩展所需驱动力。而部分晶粒的基面滑移系和柱面滑移系之间存在复杂的竞争关系,可能形成多滑移从而消耗更多的能量,降低裂纹扩展速率。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2 钛及钛合金的组织转变及性能

1.3 钛合金的疲劳

1.4 钛合金焊接接头的疲劳性能研究

1.5 主要的研究内容及意义

2 电子束焊接接头微观组织与表征

2.1前言

2.2试验材料与方法

2.3焊接接头的显微组织分析

2.4焊接接头组织梯度的表征与分析

2.5本章小结

3 组织梯度对焊接接头疲劳性能的影响

3.1前言

3.2试验材料及方法

3.3纵向组织梯度对TC4接头疲劳寿命的影响

3.4组织梯度对TC4接头疲劳裂纹扩展的影响

3.5组织梯度对TA15接头疲劳裂纹扩展的影响

3.6本章小结

4 焊接接头疲劳裂纹尖端微观形态的研究

4.1前言

4.2试验材料与方法

4.3母材疲劳裂纹尖端的微观形态

4.4熔凝区疲劳裂纹端部的微观形态

4.5热影响区疲劳裂纹尖端的微观形态

4.6本章小结

5 焊接接头织构变化对弹性模量及疲劳性能的影响

5.1前言

5.2试验材料与方法

5.2 TC4焊接接头的织构分析

5.3 TA15焊接接头的织构分析

5.4织构对弹性模量及疲劳性能的影响

5.5本章小结

6 晶粒取向与疲劳裂纹扩展路径研究

6.1前言

6.2试验材料及方法

6.3 TC4焊接接头疲劳裂纹的EBSD分析

6.4 本章小结

7 全文总结

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录