钨极氩弧焊焊接钛合金TA15高周疲劳性能研究

摘要

钛合金因其优异的比强度、抗腐蚀性、热强性和焊接性能普遍被应用于汽车、石油化工、航空航天等工业领域。由于钛合金在各个工业领域的应用和发展，随之也有很多先进的焊接工艺和技术被用于钛合金构件的连接，其中钨极氩弧焊(tungsteninertgas/gastungstenarcwelding，TIG)焊接技术是在钛合金连接中，尤其在焊接钛合金板材时最常见的工艺。本文以TIG焊接TA15钛合金为对象，研究了常规焊接焊缝的硬度、拉伸断裂行为、高周疲劳性能，并利用电子背散射衍射(electronbackscatterdiffraction，EBSD)技术对常规焊接焊缝、热影响区域(heat-affectedzone，HAZ)和基体(basemetal,BM)的晶体学信息进行观察研究，探讨了焊接组织和晶体取向对焊缝高周疲劳（highcyclefatigue，HCF）失效行为的影响；通过在不同应力比下的HCF试验获得了双面焊接TA15钛合金在不同应力比下的P-S-N曲线，分析了HCF失效机理；利用激光冲击强化技术(lasershockprocessing/peening，LSP)处理了双面焊接接头，并获得了应力比R为0.1时的HCF数据，分析了强化后的HCF失效机理。　　研究采用含焊缝余高的标准平板疲劳试样，利用阶梯试验方法，得到了钛合金的P-S-N曲线，通过EBSD和SEM分析研究TIG焊接TA15HCF断裂失效机理。在室温常压条件下进行了常规焊接TA15焊缝试验，研究结果表明：TA15钛合金TIG焊缝和热影响区的显微硬度高于母材的显微硬度。TIG焊接TA15的焊缝室温抗拉强度略低于母材，并且焊接后材料的塑性明显降低。在不同的加载条件下，焊件有不同的组织敏感度，主要表现在TIG焊接TA15在拉伸和疲劳循环载荷作用下的主要失效位置不同：拉伸试验中，80%的失效位置在熔合线上。而在HCF测试中，74%的样品在基体与热影响区连接区域(BM-HAZ)断裂。EBSD试验结果表明基体金属与热影响区的晶界错配增加了晶界能，阻碍了疲劳试验中的位错运动。母材与热影响区间的织构转换形成了材料疲劳强度较弱的滑移错配区。在相同载荷条件下，不同取向的晶粒在易开动的位错滑移面上有着不同的临界分切应力(criticalresolvedshearstress，CRSS)。因而，滑移激活的难易程度也会因晶粒取向不同而不同。在本研究中基体(BM)和BM-HAZ的晶体取向不同。基体晶粒的择优取向方向为0001//RD，BM-HAZ区域晶粒的择优取向方向为0001//TD，这种织构取向的变化导致该区域的滑移开动困难。而BM与BM-HAZ之间存在较大的晶界错配导致BM与BM-HAZ中晶界能高，应变能降低，即承受动载荷的能力降低。并且位错的迁移率和滑移率将受到高能晶界的限制，在承受载荷时高角晶界处会出现位错堆积现象导致应力集中，进而使得最后失效发生在该位置。　　为了解决焊缝熔深问题，对TA15板材进行了双面焊接，并研究其在不同应力比(R=0.1、0.5、0.8)下的HCF性能。试验结果表明：双面焊接后试样塑性相比要低于常规焊接试样。双面焊HCF数据显示随着应力比的增大，疲劳极限值增加。双面焊接HCF试样的断口结果显示，疲劳裂纹源主要在试样表面，为多源开裂，同时这种多源开裂模式也导致了双面焊接试样的疲劳寿命较低。　　通过LSP处理双面焊接接头以提高疲劳抗性，在应力比R为0.1下的HCF性能表现为：高应力水平(590MPa)下寿命增加4.6倍，中等应力水平(330MPa)下寿命增加9.9倍。疲劳失效后，断口分析结果显示：疲劳裂纹萌生位置主要集中于焊接缺陷处，断口裂纹源呈现为典型的鱼眼状。利用王清远等人修正的Murakami公式评估了LSP处理后双面焊接接头的疲劳强度，预测最小误差为7.78%。

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