引(yin)言
钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)具(ju)有密(mi)度(du)小、比(bi)强度高(gao)、耐(nai)腐蚀(shi)以及(ji)生(sheng)物(wu)相容性(xing)好(hao)等(deng)众(zhong)多优(you)点(dian)，不仅(jin)被(bei)广泛应用于航空(kong)航天(tian)、海(hai)洋(yang)工程、医疗等(deng)高(gao)端领(ling)域(yu)［1-4］，而(er)且(qie)逐(zhu)渐进入人(ren)们的日(ri)常(chang)生(sheng)活中，如(ru)轿车零部件、眼(yan)镜(jing)架(jia)及(ji)餐具(ju)等［5-7］。
TC4钛合金(jin)是应用最为广泛的一种α＋β型钛(tai)合金(jin)，具有(you)高(gao)的(de)强(qiang)度(du)、塑性(xing)、韧(ren)性(xing)以及(ji)良(liang)好(hao)的(de)焊接性能(neng)，其丝材可(ke)用(yong)于制(zhi)作结构架(jia)、加(jia)固(gu)筋(jin)、安全(quan)防(fang)护架(jia)等构件(jian)。钛合(he)金(jin)丝(si)材通常采用焊接(jie)方(fang)式进(jin)行连(lian)接，包括钨极(ji)氩弧(hu)焊(han)、等(deng)离子焊接、激(ji)光(guang)焊接(jie)、电子(zi)束(shu)焊接等(deng)［8-11］，其共同特点是(shi)钛(tai)合(he)金(jin)焊(han)接(jie)时具(ju)有局部高(gao)温、快(kuai)速冷却等特点(dian)，会(hui)导(dao)致(zhi)材料焊接(jie)处(chu)组织与性(xing)能(neng)变差(cha)。目前，国内外(wai)学(xue)者(zhe)已(yi)进行了(le)多种(zhong)焊(han)接(jie)方式的(de)相关(guan)研(yan)究，如Balasubramanian等(deng)［12］研(yan)究了钨(wu)极(ji)氩(ya)弧焊对(dui)α＋β型钛合金(jin)组织与性(xing)能的影(ying)响，阐(chan)述(shu)了冲(chong)击韧性(xing)与(yu)晶(jing)粒(li)大(da)小(xiao)成(cheng)反(fan)比(bi)关(guan)系；cao等(deng)［13］利用(yong)ＹaＧ激(ji)光(guang)焊(han)接方法(fa)焊(han)接(jie)Ti-6Al-4V合(he)金(jin)，发(fa)现(xian)其焊合(he)区(qu)域(yu)存在大量马氏(shi)体(ti)，使得(de)材(cai)料局部塑性(xing)下降(jiang)，变脆(cui)变(bian)硬；王(wang)海(hai)等(deng)［14］对TC4钛合(he)金丝材进行了焊(han)接(jie)，发现焊(han)后(hou)材(cai)料晶粒粗(cu)大(da)，呈(cheng)现(xian)脆性。然(ran)而，对(dui)于(yu)钛(tai)合(he)金(jin)丝材(cai)的(de)新兴(xing)应用(yong)———焊(han)接防(fang)护架的性能(neng)研(yan)究鲜有报道，而其塑性、韧性(xing)对(dui)于(yu)防(fang)护效果(guo)十分关键，直(zhi)接(jie)涉及(ji)到人身安全(quan)。因此(ci)，本研究通过钨(wu)极氩弧焊接工艺(yi)制(zhi)备(bei)TC4钛(tai)合金(jin)防(fang)护架，对(dui)其(qi)进(jin)行(xing)冲(chong)击试验，分析冲击(ji)性能(neng)及失(shi)效(xiao)原因，为(wei)钛合金防(fang)护(hu)架(jia)的(de)制(zhi)备提供参考(kao)。
1、实(shi)验
以(yi)咸(xian)阳(yang)天成钛业有限公司(si)提供的(de)φ4.76mmTC4钛(tai)合金丝(si)材为(wei)原(yuan)材料，其(qi)化学(xue)成(cheng)分(fen)及力学(xue)性(xing)能分别(bie)见表1及(ji)表(biao)2。将(jiang)丝材(cai)弯曲(qu)，用(yong)钨极(ji)氩弧焊工(gong)艺(yi)焊(han)接得(de)到(dao)防(fang)护面罩(zhao)骨(gu)架(jia)。
将钛合(he)金(jin)骨(gu)架防护(hu)面(mian)罩平(ping)放(fang)在(zai)冲(chong)击实(shi)验台上，用锤头(tou)（质量(liang)为(wei)200kg）以(yi)30m/s的(de)速度进行冲击(ji)试(shi)验(yan)，如(ru)图1所示(shi)。
从(cong)TC4钛合金焊件冲(chong)击(ji)断(duan)裂(lie)位(wei)置截取金相(xiang)试样，采(cai)用(yong)ＯlＹＭＰusＧＸ71型(xing)倒(dao)置金(jin)相(xiang)显(xian)微镜对(dui)其组织进(jin)行观(guan)察(cha)。
金(jin)相腐蚀(shi)液配比为V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）＝2:4:94，腐(fu)蚀(shi)时间(jian)约10s。采用(yong)ＸＲＤ7000型Ｘ射线(xian)衍(yan)射(she)仪对焊接(jie)区(qu)域(yu)进(jin)行(xing)物相分(fen)析，测试条件：铜靶(ba)Ｋα线(xian)（λ＝0.15406nm），扫描速度(du)8°/min，扫描(miao)范围2θ取20°～90°。采用(yong)ＴuＫＯＮ2100型显微维(wei)氏硬(ying)度测量仪(yi)进(jin)行(xing)硬(ying)度测(ce)量(liang)，测(ce)试点间距为(wei)0.2mm，测量载(zai)荷为50g，加(jia)载时(shi)间为(wei)30s。
采(cai)用ＷＥＷ300D万(wan)能(neng)试(shi)验机(ji)对TC4钛合(he)金(jin)丝(si)材进行(xing)曲(qu)试验(yan)，试验(yan)中将(jiang)丝材(cai)两(liang)端固定在支(zhi)辊上，采(cai)用(yong)R15压(ya)头，向(xiang)下(xia)施(shi)加(jia)载(zai)荷，直至丝材(cai)断(duan)裂。
采用(yong)ＴＥsＣaＮＶＥＧa3ＸＭu扫描(miao)电子(zi)显微镜(jing)观察焊件及弯(wan)曲(qu)试样的(de)断口(kou)形貌(mao)。
2、结果(guo)与(yu)分析
图2为冲(chong)击试(shi)验后(hou)TC4钛合(he)金焊(han)件(jian)的照片(pian)。
从图中可以(yi)看(kan)出，冲(chong)击试验共造成焊(han)件(jian)产生6处(chu)断(duan)裂，其(qi)中(zhong)有(you)5处(chu)断(duan)裂(lie)位(wei)于焊接处(chu)，这表(biao)明(ming)焊(han)接(jie)处(chu)的(de)塑性、韧性相(xiang)较(jiao)于其(qi)他(ta)部(bu)位有(you)所(suo)降(jiang)低(di)。
图3是(shi)TC4钛合(he)金(jin)丝(si)材(cai)焊件的(de)焊接(jie)部(bu)位(wei)经抛光腐(fu)蚀(shi)后的(de)宏观(guan)形貌(mao)，可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)接(jie)头与母丝材存在明(ming)显(xian)的(de)宏观(guan)组(zu)织(zhi)差(cha)异，包(bao)括(kuo)3个(ge)区域，即焊合区、热(re)影响(xiang)区(qu)以(yi)及(ji)母材区(qu)［15］。
图(tu)4分别(bie)为(wei)TC4钛合(he)金(jin)焊件(jian)焊合区、热(re)影响(xiang)区及母(mu)材(cai)区的金相照片(pian)。从图中可以(yi)看出(chu)，焊合(he)区域组织(zhi)为(wei)原始β晶上(shang)分布着针状马氏体(ti)相（图4a），热影响区域多(duo)为(wei)β转(zhuan)变(bian)组织（图4B），母(mu)材(cai)区(qu)域(yu)为细(xi)小(xiao)等轴α组(zu)织(zhi)＋少量β相（图(tu)4ｃ）。焊合区(qu)域针(zhen)状钛马(ma)氏(shi)体(ti)相(xiang)是由(you)于快(kuai)速(su)加热及(ji)冷(leng)却(que)造成的(de)，当从(cong)β晶向(xiang)α晶(jing)转变速度过(guo)快(kuai)，合金中(zhong)的元(yuan)素(su)来不及(ji)进行(xing)扩散便(bian)会形成(cheng)马氏(shi)体。钛(tai)合(he)金(jin)中常(chang)见的马(ma)氏体有(you)斜(xie)六(liu)方体结(jie)构(gou)α′相(xiang)和(he)斜方(fang)体结(jie)构(gou)α″相2种(zhong)，这(zhe)2种(zhong)相(xiang)对材料性能(neng)的(de)影响有(you)所(suo)不同，α′相较(jiao)α″相(xiang)具有(you)更(geng)高(gao)的强(qiang)度和(he)脆(cui)性，然而(er)2种(zhong)钛(tai)马(ma)氏(shi)体(ti)形貌差别不(bu)明(ming)显［16］，有(you)必(bi)要(yao)对其(qi)进(jin)行(xing)进一(yi)步(bu)的(de)分(fen)析(xi)。热(re)影(ying)响(xiang)区域(yu)β转(zhuan)变(bian)组(zu)织较(jiao)多，这是因为在(zai)这(zhe)个(ge)区域的(de)冷(leng)却(que)速率相对(dui)较(jiao)小(xiao)，β相可进行有(you)效转变。
图5为(wei)TC4钛合金焊(han)件(jian)焊合区(qu)域的ＸＲＤ图(tu)谱。
从图中(zhong)可以(yi)看(kan)出，焊(han)合(he)区域出现了α′（002）、α′（100）、α′（101）、α′（102）、α′（110）、α′（200）、α′（112）、α′（201）、α′（004）等(deng)斜(xie)六方(fang)结(jie)构的衍射(she)峰，同时也出现了(le)α″（113）斜(xie)方(fang)结(jie)构(gou)的(de)衍(yan)射峰，以及ω（101）密(mi)排六(liu)方(fang)结构的(de)衍射峰。焊缝(feng)处(chu)快速冷(leng)却(que)产生(sheng)了(le)α′及α″马(ma)氏(shi)体，且α′相(xiang)更(geng)为明(ming)显，这(zhe)是因(yin)为(wei)钛合金中马(ma)氏体(ti)相(xiang)的存在形(xing)式主要(yao)与β稳定元素(su)有关，当(dang)β稳定元素(su)含(han)量(liang)低时(shi)更(geng)多发(fa)生(sheng)α′转(zhuan)变，β稳(wen)定(ding)元(yuan)素(su)多时，更(geng)多发生(sheng)α″转变(bian)［17-18］。TC4钛合(he)金(jin)属于β相(xiang)稳(wen)定(ding)元素较少的合(he)金，所(suo)以(yi)会更(geng)多地发生(sheng)α′转(zhuan)变，而(er)斜六方(fang)结构(gou)的α′相滑移(yi)面(mian)较(jiao)少，致使(shi)材(cai)料(liao)塑性、韧性降低，强(qiang)度(du)、硬(ying)度(du)升(sheng)高。
图(tu)6为(wei)焊接(jie)处(chu)不同(tong)区域(yu)的(de)显微(wei)维(wei)氏硬度。从图(tu)中(zhong)可以(yi)看(kan)出(chu)，焊(han)合(he)区的硬度(du)最高，其次是(shi)母材，热(re)影(ying)响区(qu)硬度(du)最(zui)低，各(ge)区域(yu)的硬(ying)度平(ping)均值分别(bie)为5.5、3.0、3.7ＧGPa。焊合(he)区域(yu)的显微(wei)维(wei)氏硬度明显偏(pian)高，这是(shi)由(you)于(yu)此区(qu)域(yu)存(cun)在(zai)大量的(de)马(ma)氏体(ti)α′相，其(qi)滑移(yi)面少，在变形(xing)过程中(zhong)对位错起(qi)到了钉扎效应，使得该(gai)区域硬度(du)升高。
图(tu)7为(wei)TC4钛(tai)合(he)金弯(wan)曲试样及焊件(jian)的断口形貌。从图(tu)中(zhong)可(ke)以看(kan)出(chu)，TC4钛(tai)合(he)金(jin)丝材(cai)弯曲试(shi)样(yang)断(duan)口(kou)周(zhou)边(bian)存在(zai)45°的剪切(qie)唇，有颈缩现象(xiang)（图7a），为韧性(xing)断裂(lie)。而(er)焊(han)件断口(kou)平(ping)齐且(qie)几(ji)乎(hu)无颈缩现象(xiang)（图(tu)7ｃ），呈(cheng)典型(xing)的脆性断(duan)裂特(te)征(zheng)。从图7ｄ可(ke)以看(kan)出(chu)，断(duan)口存在河(he)流状(zhuang)解(jie)理台(tai)阶，为准解理(li)断裂(lie)。
由于(yu)焊接(jie)处(chu)马(ma)氏体(ti)的晶体结(jie)构与基(ji)体不(bu)一致(zhi)，当位(wei)错(cuo)到达(da)马(ma)氏体附(fu)近时(shi)候(hou)会(hui)产生(sheng)大量(liang)位错塞积(ji)，从而(er)产生应力集中(zhong)，当应力(li)集中(zhong)达(da)到极限，便会(hui)发(fa)生脆性(xing)断裂(lie)，从(cong)而(er)形(xing)成(cheng)解理台阶。
从以上(shang)分析可(ke)以(yi)看出(chu)，TC4钛合金丝材焊(han)接过程(cheng)产(chan)生的马氏体(ti)是(shi)导致焊(han)件冲(chong)击性(xing)能降低并(bing)发生脆性断(duan)裂的主(zhu)要原(yuan)因，因此(ci)必须(xu)对焊件进行(xing)低(di)温热(re)处理，以消(xiao)除(chu)马氏(shi)体的影(ying)响。
3、结论(lun)
（1）TC4钛合(he)金丝(si)材焊(han)件在(zai)快(kuai)热及快冷焊(han)接热循(xun)环(huan)作用(yong)下，由(you)中心焊接(jie)处到母(mu)材(cai)呈(cheng)由(you)高到低的(de)温度梯度(du)，使得形(xing)成(cheng)的(de)组(zu)织呈(cheng)现梯度(du)性，即焊合(he)区(qu)、热(re)影(ying)响(xiang)区以(yi)及母(mu)材区(qu)。
（2）焊(han)合(he)区域(yu)存(cun)在(zai)马(ma)氏体(ti)相(xiang)，该(gai)马(ma)氏体(ti)相主要(yao)以(yi)α′相(xiang)形式(shi)存(cun)在，并有(you)少量的α″相。斜六(liu)方结(jie)构(gou)的α′相(xiang)滑移面(mian)少(shao)，使得焊合区(qu)域(yu)的(de)局(ju)部(bu)显微维(wei)氏硬度平均值(zhi)达(da)5.5GPa，是(shi)母材(cai)区(qu)域(yu)硬度(du)值(zhi)的近1.5倍(bei)。
（3）焊件(jian)断(duan)口(kou)平(ping)齐且几(ji)乎(hu)无(wu)颈(jing)缩(suo)现象，存(cun)在(zai)河(he)流(liu)状解(jie)理台阶，为脆性断(duan)裂。
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