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摘要： 对40 mm厚TC4DT钛合金自由锻件进行焊接。通过对焊接接头显微组织分析及拉伸、冲击等测试，研究了该合金电子束焊接接头的相关性能。经研究发现：TC4-DT锻件具有良好的焊接工艺性能，焊缝为网篮组织，该合金电子束焊接接头的拉伸强度与锻件相当，但冲击韧性与锻件相比略低。
关键词： TC4-DT钛合金；电子束焊接；显微组织；力学性能
中图分类号： TG442
Abstract： Electron beam welding（EBW） of a 40 mm thick TC4-DT titanium alloy was carried out. The properties of EBW joint for the titanium alloy were researched by means of the microstructure， tension testing， impact testing and so on. The results indicated that the welding performance of TC4-DT titanium alloy was excellent. The EBW joint of TC4DT titanium alloy is composed by the basketweave structure α′. Compared with the forgings， the EBW joints of TC4-DT titanium alloy had similar tension strength .The impact toughness of the EBW joints was less than that of the forgings.
Key words： TC4-DT titanium alloy， EBW， microstructure， mechanical properties
0前言
钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良的性能而被广泛应用于航空航天及医疗等领域[1]。尤其在航空方面，钛合金的用量已成为衡量飞机先进性的重要标志。TC4钛合金为中高强度的双相钛合金，除具有一般的钛合金特性外，还可以通过淬火和时效处理等热处理方法得到强化稳定组织，获得比强度和比热度高，韧性、塑性和高温变形性能优良的双相钛合金。TC4-DT钛合金是在TC4钛合金基础上，通过减少Fe、C、O、N等间隙元素，牺牲一定的强度，提高韧性、塑性等性能的大损伤容限型双相钛合金，未来有望成为飞机梁、框等重要承力构件的主要材料[2，3] 。
TC4-DT钛合金最突出的优点在于具有较高的断裂韧性和疲劳裂纹扩展能力，其性能与在美国四代机上使用的TC4 ELI钛合金性能相当[4]。中航工业北京航空材料研究院朱知寿等人[5]研究了该型钛合金疲劳裂纹扩展特性，结果表明，TC4-DT钛合金的抗疲劳裂纹扩展能力明显高于TC4钛合金。唐振云等人[6]对TC4-DT合金电子束焊接接头低周疲劳性能进行了研究，结果表明，当疲劳应变幅△εf/2大于0.6%时，随着塑性变形应变幅的增大，母材与焊接板材上、下层处的2Nf差异逐渐明显，其中母材处的2Nf最高，焊接板材上层处2Nf最低。
目前对TC4-DT钛合金材料在航空实际应用中的研究较少，因此对钛合金承力构件材料开展工程研究，确定该型钛合金在生产中的适用性，可以更好地满足航空工业发展的需求。
1试验方法
试验材料为退火态TC4-DT自由锻件，尺寸为200 mm×75 mm×40 mm，采用“I”形对接形式，其化学成分如表1所示。焊前用钢丝刷打磨待焊处的表面去除氧化膜，然后用丙酮擦拭待焊处。焊前进行定位焊接，下端用开槽垫板衬垫。焊接试验在ZDl50-30C高压真空电子束焊机上进行，焊接沿垂直于锻件纤维方向进行，焊接工艺参数如表2所示。焊后在真空热处理炉中730 ℃，保温3.5 h进行去应力退火。
采用PME OLYMPUS光学显微镜对焊接接头微观组织进行观察，参照GB/T 2651和GB/T 265制取试样，保证焊缝位于试样中心处，冲击试样在焊缝中心处开U形口，拉伸和冲击试验分别在日本岛津AG-X拉伸试验机和纳克N1150冲击试验机上进行，采用S-4700扫描电镜对断口形貌进行分析。
2试验结果分析与讨论
2.1电子束焊接接头微观组织形貌
2.1.1TC4-DT母材的显微组织
母材的显微组织如1所示，TC4-DT组织为片层状的魏氏组织，在原始β晶粒内部存在一定范围内取向大致平行的α片层集束，不同位相的集束交错分布在β晶粒中。
2.1.2TC4-DT焊缝的显微组织
TC4-DT电子束焊缝基体为α片层集束组织，经退火热处理后，α片层和β晶界有所长大（图2a）；在焊接过程中，热影响区部分温度比焊缝温度低，有少量的针状马氏体析出，形成少量细小的针状α′马氏体（图2b）；TC4-DT焊缝在电子束流高温作用下，快速冷却形成大量的长针状α′马氏体，针状马氏体交错排列，形成致密的长针网篮状马氏体组织，焊缝组织不见明显晶界（图2c）。
2.2电子束焊接接头力学性能分析
2.2.1拉伸性能
母材和电子束焊接后的TC4-DT的室温抗拉强度试验结果如表3所示，拉伸试样如图3所示。电子束焊接试件的抗拉强度、屈服强度与母材相当，但电子束焊接试件的塑性低于母材。电子束焊接试件拉伸断裂位置位于远离焊缝的母材处。图2焊缝区显微组织在电子束焊接过程中，加热和冷却速度较快，凝固界面处于不平衡状态，溶质原子在界面前端富集。在凝固过程中，富集的溶质原子还没来得及扩散就被快速移动的凝固界面所吸收。在随后的凝固过程中，α相从β晶体中析出、长大形成溶质原子，由于电子束焊接冷却速度较快，析出的α相未来得及扩散，因此过饱和固溶在α-Ti中，增大了合金的固溶度，通过固溶强化使焊缝的强度得到加强，达到与母材相当甚至有所增强。
2.2.2冲击性能
母材和电子束焊接后的TC4-DT的室温冲击韧性试验结果如表4所示，电子束焊接接头的冲击韧性略低于母材的冲击韧性，说明电子束焊接接头的韧性低于TC4-DT锻件组织的韧性。电子束焊接接头的冲击试样断口宏观形貌如图4a所示，冲击断口的宏观形貌由纤维区、放射区和剪切唇3部分组成，两侧的剪切唇较大，下部缺口处的纤维区较小，有较大的放射区。从图4b放射区的微观形貌可以发现，断口为等轴韧窝，且韧窝较深较密集，塑性脊（白亮区域带）较明显，是典型的韧性断裂，说明TC4-DT钛合金具有良好的韧性。冲击试样如图5所示。
3结论
（1）焊缝组织为长针状马氏体网篮组织，母材原始β晶粒内为板条状α片层组织，热影响区完成了由片层组织向针状马氏体组织的过渡；
（2）TC4-DT钛合金电子束焊接接头的强度、冲击韧性等力学性能与母材相当，具有良好的强度和韧性等力学性能；
（3）TC4-DT钛合金电子束焊接接头的各项性能满足航空材料的要求，适宜在航空类零件生产发展中应用。
参考文献
[1]胡礼木. 钛合金Ti6Al4V电子束焊接接头的性能研究[J]. 陕西工学院学报，1997，13（4）：43-47.
[2]王金友.航空用钛合金[M].上海：上海科学技术出版社，1985：91-100.
[3]曹春晓.选材判据的变化与高损伤容限钛合金的发展[J].金属学报，2002，38（增刊1）：4-6.
[4]刘金豪，刘建生，熊运森，等.TC4-DT钛合金的热变形行为研究及加工图[J].稀有金属材料与工程，2013，42（8）：1 674-1 678.
[5]朱知寿，马少俊，王新南，等.TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展特性的研究[J].钛工业进展，2005，22（6）：10-13.
[6]唐振云，毛智勇，李晋炜，等.TC4-DT合金电子束焊接接头低周疲劳性能研究[J].航空制造技术，2011（16）：111-118.
关键词： TC4-DT钛合金；电子束焊接；显微组织；力学性能
中图分类号： TG442
Abstract： Electron beam welding（EBW） of a 40 mm thick TC4-DT titanium alloy was carried out. The properties of EBW joint for the titanium alloy were researched by means of the microstructure， tension testing， impact testing and so on. The results indicated that the welding performance of TC4-DT titanium alloy was excellent. The EBW joint of TC4DT titanium alloy is composed by the basketweave structure α′. Compared with the forgings， the EBW joints of TC4-DT titanium alloy had similar tension strength .The impact toughness of the EBW joints was less than that of the forgings.
Key words： TC4-DT titanium alloy， EBW， microstructure， mechanical properties
0前言
钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良的性能而被广泛应用于航空航天及医疗等领域[1]。尤其在航空方面，钛合金的用量已成为衡量飞机先进性的重要标志。TC4钛合金为中高强度的双相钛合金，除具有一般的钛合金特性外，还可以通过淬火和时效处理等热处理方法得到强化稳定组织，获得比强度和比热度高，韧性、塑性和高温变形性能优良的双相钛合金。TC4-DT钛合金是在TC4钛合金基础上，通过减少Fe、C、O、N等间隙元素，牺牲一定的强度，提高韧性、塑性等性能的大损伤容限型双相钛合金，未来有望成为飞机梁、框等重要承力构件的主要材料[2，3] 。
TC4-DT钛合金最突出的优点在于具有较高的断裂韧性和疲劳裂纹扩展能力，其性能与在美国四代机上使用的TC4 ELI钛合金性能相当[4]。中航工业北京航空材料研究院朱知寿等人[5]研究了该型钛合金疲劳裂纹扩展特性，结果表明，TC4-DT钛合金的抗疲劳裂纹扩展能力明显高于TC4钛合金。唐振云等人[6]对TC4-DT合金电子束焊接接头低周疲劳性能进行了研究，结果表明，当疲劳应变幅△εf/2大于0.6%时，随着塑性变形应变幅的增大，母材与焊接板材上、下层处的2Nf差异逐渐明显，其中母材处的2Nf最高，焊接板材上层处2Nf最低。
目前对TC4-DT钛合金材料在航空实际应用中的研究较少，因此对钛合金承力构件材料开展工程研究，确定该型钛合金在生产中的适用性，可以更好地满足航空工业发展的需求。
1试验方法
试验材料为退火态TC4-DT自由锻件，尺寸为200 mm×75 mm×40 mm，采用“I”形对接形式，其化学成分如表1所示。焊前用钢丝刷打磨待焊处的表面去除氧化膜，然后用丙酮擦拭待焊处。焊前进行定位焊接，下端用开槽垫板衬垫。焊接试验在ZDl50-30C高压真空电子束焊机上进行，焊接沿垂直于锻件纤维方向进行，焊接工艺参数如表2所示。焊后在真空热处理炉中730 ℃，保温3.5 h进行去应力退火。
采用PME OLYMPUS光学显微镜对焊接接头微观组织进行观察，参照GB/T 2651和GB/T 265制取试样，保证焊缝位于试样中心处，冲击试样在焊缝中心处开U形口，拉伸和冲击试验分别在日本岛津AG-X拉伸试验机和纳克N1150冲击试验机上进行，采用S-4700扫描电镜对断口形貌进行分析。
2试验结果分析与讨论
2.1电子束焊接接头微观组织形貌
2.1.1TC4-DT母材的显微组织
母材的显微组织如1所示，TC4-DT组织为片层状的魏氏组织，在原始β晶粒内部存在一定范围内取向大致平行的α片层集束，不同位相的集束交错分布在β晶粒中。
2.1.2TC4-DT焊缝的显微组织
TC4-DT电子束焊缝基体为α片层集束组织，经退火热处理后，α片层和β晶界有所长大（图2a）；在焊接过程中，热影响区部分温度比焊缝温度低，有少量的针状马氏体析出，形成少量细小的针状α′马氏体（图2b）；TC4-DT焊缝在电子束流高温作用下，快速冷却形成大量的长针状α′马氏体，针状马氏体交错排列，形成致密的长针网篮状马氏体组织，焊缝组织不见明显晶界（图2c）。
2.2电子束焊接接头力学性能分析
2.2.1拉伸性能
母材和电子束焊接后的TC4-DT的室温抗拉强度试验结果如表3所示，拉伸试样如图3所示。电子束焊接试件的抗拉强度、屈服强度与母材相当，但电子束焊接试件的塑性低于母材。电子束焊接试件拉伸断裂位置位于远离焊缝的母材处。图2焊缝区显微组织在电子束焊接过程中，加热和冷却速度较快，凝固界面处于不平衡状态，溶质原子在界面前端富集。在凝固过程中，富集的溶质原子还没来得及扩散就被快速移动的凝固界面所吸收。在随后的凝固过程中，α相从β晶体中析出、长大形成溶质原子，由于电子束焊接冷却速度较快，析出的α相未来得及扩散，因此过饱和固溶在α-Ti中，增大了合金的固溶度，通过固溶强化使焊缝的强度得到加强，达到与母材相当甚至有所增强。
2.2.2冲击性能
母材和电子束焊接后的TC4-DT的室温冲击韧性试验结果如表4所示，电子束焊接接头的冲击韧性略低于母材的冲击韧性，说明电子束焊接接头的韧性低于TC4-DT锻件组织的韧性。电子束焊接接头的冲击试样断口宏观形貌如图4a所示，冲击断口的宏观形貌由纤维区、放射区和剪切唇3部分组成，两侧的剪切唇较大，下部缺口处的纤维区较小，有较大的放射区。从图4b放射区的微观形貌可以发现，断口为等轴韧窝，且韧窝较深较密集，塑性脊（白亮区域带）较明显，是典型的韧性断裂，说明TC4-DT钛合金具有良好的韧性。冲击试样如图5所示。
3结论
（1）焊缝组织为长针状马氏体网篮组织，母材原始β晶粒内为板条状α片层组织，热影响区完成了由片层组织向针状马氏体组织的过渡；
（2）TC4-DT钛合金电子束焊接接头的强度、冲击韧性等力学性能与母材相当，具有良好的强度和韧性等力学性能；
（3）TC4-DT钛合金电子束焊接接头的各项性能满足航空材料的要求，适宜在航空类零件生产发展中应用。
参考文献
[1]胡礼木. 钛合金Ti6Al4V电子束焊接接头的性能研究[J]. 陕西工学院学报，1997，13（4）：43-47.
[2]王金友.航空用钛合金[M].上海：上海科学技术出版社，1985：91-100.
[3]曹春晓.选材判据的变化与高损伤容限钛合金的发展[J].金属学报，2002，38（增刊1）：4-6.
[4]刘金豪，刘建生，熊运森，等.TC4-DT钛合金的热变形行为研究及加工图[J].稀有金属材料与工程，2013，42（8）：1 674-1 678.
[5]朱知寿，马少俊，王新南，等.TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展特性的研究[J].钛工业进展，2005，22（6）：10-13.
[6]唐振云，毛智勇，李晋炜，等.TC4-DT合金电子束焊接接头低周疲劳性能研究[J].航空制造技术，2011（16）：111-118.