王世清　邢博　赵启喆　焦迎香　强伟

摘要：采用不同热处理工艺对10 mm厚的钛合金TC4/Ti60电子束焊接接头进行了研究，对比分析了TC4/Ti60接头在分别经历退火700 ℃×2 h（AC）及固溶时效980 ℃×1 h（FC）+700 ℃×2 h（AC）后，在显微组织、显微硬度及拉伸性能等方面的特征。结果表明：TC4/Ti60接头经过退火后，组织和性能与焊态相当，但当TC4/Ti60接头经过固溶时效后，TC4/Ti60接头的组织更均匀，硬度及强度比退火时略低，并且塑性增加，综合性能良好。

关键词：热处理;TC4/Ti60接头;电子束焊接;退火;固溶时效

中图分类号：TG166.5文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）05-0016-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.03

0 前言

钛及钛合金具有良好的高温性能、优异的耐蚀性能和密度小等优点，是航天、航空、航海领域重要的结构材料之一。为了获得良好的综合性能，通常会对钛合金材料进行热处理。罗文忠等[1]研究了Ti60钛合金在两种热处理工艺下的组织及拉伸性能特征，发现在1 040 ℃固溶淬火得到的α+α'混合组织，具有较好的强度和塑性匹配关系。陈海涛等[2]研究了热处理工艺对Ti60 钛合金板材力学性能的影响，结果表明固溶热处理对显微组织影响明显，适当提高板材的固溶热处理温度能够显著改善板材的横、纵向组织均匀性。郭凡等[3]研究了鍛后不同热处理制度对Ti2AlNb/Ti60双合金接头组织和性能的影响，结果表明热处理制度对相的组成几乎无影响，但对相的形态、尺寸及数量有一定影响，随着固溶温度的升高或固溶时间的延长，试样强度增加，塑性下降。张秉刚等[4]及陈国庆等[5]对Ti55/Ti60及TiAl/Ti60真空电子束焊接接头研究发现，Ti60侧焊缝组织主要是针状α'马氏体，热影响区硬度分布梯度较大。以上文献表明，钛合金焊接后易出现马氏体，组织不均匀等现象，但通过热处理可以改善接头组织和性能。本文中TC4/Ti60电子束焊接后，存在残余应力、组织不均匀等现象，因此，对TC4/Ti60电子束焊接接头进行热处理。根据TC4和Ti60合金常用的热处理规范，制定退火与固溶时效两种热处理制度，对比研究其对TC4/Ti60电子束焊接接头组织及拉伸性能的影响，为实际应用提供理论依据。

1 试验材料及方法

试验材料选用10 mm厚钛合金TC4、Ti60，母材均采用锻造处理状态供货。真空电子束焊后接头微观形貌如图1所示，在焊缝及TC4侧热影响区为马氏体，Ti60侧的热影响区是马氏体和残余α相的混合物。焊后为了消除焊接残余应力、稳定和改善TC4/Ti60焊接接头的组织和性能，选用两种不同的热处理工艺：700 ℃×2 h（AC）、980 ℃×1 h（FC）+700 ℃×2 h（AC）。采用光学显微镜观察热处理后的异种钛合金接头微观组织。采用显微硬度计在TC4/Ti60接头的焊缝中部均匀打点，每个点之间相距0.5 mm，使其经过焊缝、热影响和母材区。室温拉伸实验在United试验机上进行，应变速率为1×10-3/s。

2 实验结果及分析

2.1 热处理对TC4/Ti60接头组织的影响

退火后接头的微观形貌如图2所示。图2a是退火后TC4/Ti60接头的宏观形貌，与母材相比，焊缝区及热影响区非常窄，焊缝宽度约为2～3 mm，左右两侧热影响区宽度均约为1～2 mm。图2b、2c分别为图2a中TC4母材（b区）及Ti60母材（e区）的显微组织，TC4母材及Ti60母材均为典型的双相组织，即由等轴的α相和层片相间的α+β相构成，但Ti60母材的等轴α相明显比TC4母材的大一些。图2d、2e分别是图2a中TC4侧热影响区及焊缝（c区）以及Ti60侧热影响区及焊缝（d区）的显微组织，焊缝及TC4侧热影响区显微组织主要为细小的密排六方马氏体，Ti60侧热影响区的显微组织主要为残余的等轴 α相和板条状马氏体，与图1的焊态组织[7]相比，无明显变化，表明退火对TC4/Ti60接头组织无明显影响。

固溶时效后接头的微观形貌如图3所示。图3a是固溶时效后TC4/Ti60接头的宏观形貌，在焊缝区、热影响区及母材可见清晰的界线，焊缝区及热影响区非常窄。图3b、3c分别是图3a中TC4母材（b区）及Ti60母材（e区）的显微组织，由于固溶温度在等轴α相向β相转变点以下，即两相区，因此TC4母材及Ti60母材的等轴α相较热处理前无明显变化。图3d、3e分别是图3a中TC4侧热影响区及焊缝（c区）及Ti60侧热影响区及焊缝（d区）的显微组织，由图可知，固溶时效后，焊缝及TC4侧热影响区的组织主要是细小的α+β相，但TC4侧热影响区的组织明显比焊缝的粗大，Ti60侧热影响区的组织主要为残余的等轴 α相和细小的α+β相。这表明固溶时效后，马氏体分解成了细小的α+β相。与上述焊态、退火组织相比，TC4/Ti60接头显微组织发生了显著变化，表明固溶时效对TC4/Ti60接头组织有非常明显的影响。

2.2 热处理对TC4/Ti60接头显微硬度的影响

不同热处理工艺下TC4/Ti60接头的显微硬度分布如图4所示，呈现出明显的不对称特点，即TC4母材的显微硬度（约300 HV）明显低于Ti60母材的显微硬度（约340 HV）。由图2及图3可知，TC4中等轴α略小于Ti60的，根据Hall-Petch公式可知，TC4的硬度理论上应略高，但由于Ti60母材加入了1%质量分数的稀土元素Nd，进而在Ti60合金内形成弥散的析出物，最终强化Ti60合金基体并改善了合金的热稳定性[6]，因此Ti60母材的显微硬度略高于TC4母材的显微硬度。另外，Ti60母材含有Zr元素的析出物[7]，也使得其硬度增加。由图可知，在退火及固溶时效后焊缝处硬度均较为均匀，但固溶时效后TC4/Ti60接头的硬度略低于退火的，这是由于马氏体分解生成了α+β相所致（见图3）。在两侧的热影响区处硬度均随着距焊缝中心距离的增大而逐渐减小，这与图2和图3的显微组织相一致，即马氏体及细小的α+β相随着距焊缝中心距离的增加而逐渐减少。

2.3 热处理对TC4/Ti60接头拉伸性能的影响

热处理前后TC4/Ti60接头的拉伸应力-应变曲线的对比如图5所示（室温，应变速率1×10-3/s）。由图5可知，退火及固溶时效后TC4/Ti60接头平均屈服强度分别为821 MPa、804 MPa，退火及固溶时效后TC4/Ti60接头平均抗拉强度分别为842 MPa、832 MPa，可见在相同的初始应变条件下，退火后TC4/Ti60接头平均强度略高于固溶时效的，退火及固溶时效后TC4/Ti60接头平均伸长率分别为6.8%、7.5%，固溶时效后TC4/Ti60接头的平均伸长率比退火后增加约10%。拉伸试验表明，退火及固溶时效后TC4/Ti60接头强度相近，但固溶时效后TC4/Ti60接头塑性略好。与焊态接头相比，热处理后材料的组织性能更加均匀，具有较好的综合力学性能。

3 结论

文中研究了不同热处理工艺对10 mm厚的TC4/Ti60电子束焊接接头的微观组织、显微硬度及拉伸性能的影响规律，得出以下结论：

（1）退火后，焊缝及TC4侧热影响区仍然存在马氏体，Ti60侧热影响区组织主要是残余的等轴α相和板条状马氏体，但TC4/Ti60接頭经过高温固溶及时效后，焊缝及热影响区细小的马氏体发生分解生成了细小的α和β相，表明高温固溶+时效对TC4/Ti60接头的组织有明显影响。

（2）在退火及固溶时效后焊缝处的硬度均较为均匀，但固溶时效后TC4/Ti60接头的硬度略低于退火态，表明固溶时效对TC4/Ti60接头的显微硬度有影响。

（3）拉伸试验表明，退火及固溶时效后TC4/Ti60接头强度相近，但固溶时效后TC4/Ti60接头塑性略好。与焊态接头相比，热处理后材料的组织性能更加均匀，具有较好的综合力学性能。

参考文献：

[1] 罗文忠，孙峰，赵小花，等. 固溶处理对Ti60合金组织及拉伸性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程，2017，46（12）：3967-3971.

[2] 陈海涛，王娟华，苗阳，等. 热处理对Ti60钛合金板材力学性能的影响[J]. 中国钛业，2018（4）：22-24.

[3] 郭凡，郭鸿镇，姚泽坤，等. 热处理对Ti2AlNb/Ti60双合金接头组织及性能的影响[J]. 锻压技术，2013，38（3）：137140.

[4] 张秉刚，陈国庆，郭栋杰，等. 高温钛合金Ti55/Ti60真空电子束焊接[J]. 焊接学报，2009，30（12）：5-9.

[5] 陈国庆，张秉刚，武振周，等. TiAl/Ti60电子束焊接接头组织及性能[J]. 焊接学报，2009，30（12）：41-45.

[6] 刘莹莹，陈子勇，金头男，等. 600 ℃高温钛合金发展现状与展望[J]. 材料导报，2018，32（6）：1869-1870.

[7] Wang S Q，Li W Y，Zhou Y，et al. Tensile and fatigue behavior of electron beam welded dissimilar joints of Ti-6Al4V and IMI834 titanium alloys[J]. Materials Science and Engineering A，2016（649）：146-152.