钛合金电子束焊接接头力学性能研究

[摘要]对锻造Tc4电子束焊接接头进行显微硬度实验和室温拉伸实验，结果表明焊接接头由三部分组成，分别为焊缝、热影响区以及基体，这三部分结构的硬度和抗拉强度依次递减。根据试验数据建立并验证了TCA电子束焊接接头硬度与抗拉强度的关系模型，模型与实验的误差在2%左右，为根据硬度估算强度提供了一定参考。

[关键词]TC4钛合金；电子束焊接接头；力学性能

中图分类号：V45 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0267-02

1、引言

21世纪高推重比发动机要求减轻结构重量，降低研制和制造成本，这对制造技术提出了更加苛刻的要求，使发动机结构工艺性更加恶化，其中整体叶盘制造技术是高推重比发动机的关键制造技术。由于整体叶盘的重量较轻，强度较高等原因，在航空领域占有重要地位。钛合金电子束焊接作为其中一种制造方法，具有研究价值。

朱蕴卿等人采用超声法测量焊接接头上母材区域到焊缝区域弹性常数的变化规律并量化近焊缝弹性模量异常区域的宽度，取得理想的结果。尹丽香0等人通过室温冲击、室温拉伸、室温缺口拉伸、高温拉伸、持久拉伸及显微硬度等力学性能试验和金相显微组织分析、断口扫描分析等，对TC4钛合金电子束焊接接头的组织和力学性能进行了分析和研究。这些研究对设备的要求高，周期长。

硬度实验是一种简便的力学性能测试方法，为了能用硬度实验代替某些力学性能实验，本文通过TC4电子束焊接接头的拉伸实验、显微硬度实验量化TC4钛合金电子束焊接接头的区域长度和力学性能特征，建立并验证了TC4电子束焊接接头的抗拉强度与硬度的关系模型。

1、显微硬度实验

试验用材为10mm厚的锻造的TCA合金（Ti 6A～4V）板材，采用瑞士CSM压痕测试仪测试钛合金板的显微硬度。图1为显微硬度测试方案，保载时间5s，载荷500G，测量间距为0.1mm。

从图2可见TC4电子束焊接接头显微硬度测试结果。由图中可以看出：TCA电子束焊接接头由三个区域组成，分别为焊缝（Fz），热影响区（HAZ）以及母材（BM）。焊缝的硬度最高，热影响区作为过渡区域硬度梯度很大，母材的硬度最低（见图1、2）。

2、室温拉伸实验

通过室温拉伸实验获得母材、焊缝以及焊接接头的拉伸性能以期为验证强度和硬度模型提供实验数据。

实验前准备3种试样，分别为焊接接头、母材和焊缝的试样，如图3所示。按GB/T228-2010标准制作，试样的形状和尺寸如图4所示，板厚2mm。室温拉伸实验在Zwick/Z150电子万能材料实验机上以受控的速度施加轴向拉伸力直至试样断裂。试验温度10～30℃，温度波动不大于2℃，湿度不大于80%。

表1、2、3分别为焊缝、母材、焊接接头的室温拉伸结果。

由图5可知，焊接接头试样在母材区断裂。对比表2和表3可知，焊接接头中的母材比纯母材的抗拉强度高。这表明：虽然焊接过程中产生的热并没有改变母材的微观组织，但是改变了母材的力学性能。从广义上说，焊接结构中的母材也可以定义为热影响区。

对比表1和表2可知，焊缝的抗拉强度和屈服强度均大于母材况图4、5、6）。

3 TG4钛合金的硬度与强度关系模型

Toshio ENJO[51等人通过实验获得不同热处理温度下TC4钛合金的硬度.和强度的分布情况，（如表4）。

拟合TC4钛合金在不同热处理温度下强度和硬度值，即可得到强度与硬度的关系模型：

其中бb代表抗拉强度，hv代表维氏硬度。

根据TC4电子束焊接接头的显微硬度和室温拉伸实验和可知：焊缝的抗拉强度均值为1016Mpa，

硬度均值为370.75HV。由（1）式估算焊缝的抗拉强度为996Mpa，误差为1.97%。

4、结论

（1）TC4钛合金焊接接头的微观硬度试验表明：焊缝的硬度最高，热影响区作为过渡区域硬度梯度很大，母材的硬度最低。

（2）本文参照相关试验标准制定了TC4钛合金力学性能的测试方案，并测试了焊接接头的力学性能。试验表明：焊缝的抗拉强度和屈服强度均大于母材；虽然焊接过程中产生的热并没有改变母材的微观组织，但是改变了母材的力学性能。

（3）通过室温拉伸实验验证已建立的电子束焊接接头的硬度与抗拉强度关系模型。结果表明，模型与实验的误差在2%左右，电子束焊接接头的硬度与抗拉强度正相关。