前言

TC4鈦合金是典型α+β型鈦合金，具有比強(qiáng)度高、耐蝕性和生物相容性良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、海洋、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域円。隨著鈦合金的廣泛應(yīng)用，對(duì)其焊接方法提出了更高的要求。

相較于傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)，激光焊接具有能量密度高、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，是鈦合金焊接最常用的焊接方式冏。目前大多數(shù)研究基于改變焊接參數(shù)來(lái)改善焊接接頭形態(tài)、組織及性能。焊縫形狀主要取決于熱輸入，較低熱輸入產(chǎn)生V形焊縫，而較高熱輸入產(chǎn)生H形焊縫。然而，H形焊縫呈現(xiàn)出比V形焊縫更高的拉伸強(qiáng)度問。焊接熱輸入的增大會(huì)促使焊縫針狀α’馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡lα’馬氏體，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和延伸率下降叫鈦及其合金暴露在空氣或電解質(zhì)中時(shí)，由于其對(duì)氧具有很強(qiáng)的親和力，表面會(huì)迅速形成一層致密的氧化層，以保護(hù)內(nèi)部金屬免受進(jìn)一步腐蝕舊歸得益于此，鈦部件在人體環(huán)境、海洋環(huán)境等腐蝕環(huán)境有巨大的應(yīng)用潛力何。然而，激光焊接過程中引入大量非平衡轉(zhuǎn)變，這將導(dǎo)致焊接接頭各個(gè)區(qū)域的組織及耐蝕性存在差異，也將宜接影響到鈦結(jié)構(gòu)件的壽命和安全性。

因此，研究TC4鈦合金激光焊焊接接頭各區(qū)域組織及耐蝕性具有重要意義。本研究通過光纖激光器對(duì)4mmTC4鈦板材進(jìn)行焊接，分析了不同區(qū)域顯微組織、顯微硬度及耐蝕性，探究其組織對(duì)耐蝕性的影響。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為60 mm X 50 mm x4 mm的TC4板材，其化學(xué)成分見表1。

對(duì)試板進(jìn)行干燥、打磨、酸洗等處理，去除表面氧化層，保證表面干燥整潔。采用IPG-YLS-10000光纖激光系統(tǒng)對(duì)4 mm TC4板材進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn),工藝參數(shù)見表2。

采用3D超景深顯微鏡(KEYENCE VHX-5000)對(duì)焊接接頭不同區(qū)域進(jìn)行微觀組織觀察，金相腐蝕液為 3%HF+6%HNO₃+91%H₂O 的 KroU試劑。利用顯微硬度計(jì)在200g、保荷時(shí)間15 s的條件下進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間間隔0.2 mmo使用Gamary Interface 1000電化學(xué)工作站在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。試驗(yàn)溫度為(25±1)，鉗片電極和飽和甘汞(SCE)分別作為輔助電極和參比電極。試驗(yàn)前將-1.2 V SCE陰極極化180 s,以去除表面上的氧化膜。開路電位(OCP)穩(wěn)定后，在振幅為10 mV、頻率范圍為10⁵~10^-2Hz的正弦波作用下進(jìn)行交流阻抗譜(E⑸測(cè)試。動(dòng)電位極化曲線的掃描范圍為-0.5~2 V (相對(duì)于開路電位)，掃描速率為0.5 mV/s。

2、結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭宏觀形貌及顯微組織

焊接接頭宏觀形貌如圖1所示，焊接接頭為典型的T形接頭，熔透效果良好，三個(gè)區(qū)域清晰可見。焊縫區(qū)觀察到粗大的原β柱狀晶沿溫度梯度方向生長(zhǎng)。熱影響區(qū)為均勻排布的等軸 晶結(jié)構(gòu)，晶粒相對(duì)細(xì)小。此外，在焊縫區(qū)還觀察到少量氣孔，氣孔形成的原因可能是焊接過程中較快的冷卻速度導(dǎo)致熔池中金屬蒸汽和焊接過程中混入的氣體來(lái)不及逸出。

圖2所示為焊接接頭各區(qū)域顯微組織，從圖中可以觀察到母材組織為α相+β相的等軸結(jié)構(gòu)。焊縫組織為粗大的柱狀晶及晶內(nèi)縱橫交錯(cuò)的馬氏體α’相。焊縫在冷卻過程中，原B柱 狀晶長(zhǎng)大的同時(shí)伴隨著晶內(nèi)馬氏體相變的發(fā)生。焊接過程中，焊縫溫度加熱到相變溫度以上，在隨后的冷卻過程中，由于較高的冷卻速度，β相未及時(shí)通過擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵? 而是通過切變相變發(fā)生晶格重構(gòu)形成馬氏體。熔合區(qū)為焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域，在熔合區(qū)可以觀察到貫穿焊縫和熱影響區(qū)的柱狀晶，熔合線清晰可見。熱影響區(qū)組織為等軸的原3晶，晶內(nèi)為馬氏體a'相及少量原始a相和原始β相。相較于焊縫，熱影響區(qū)溫度更低，且部分原始α相未發(fā)生轉(zhuǎn)變，馬氏體M相尺寸更細(xì)小。

2.2焊接接頭顯微硬度

焊接接頭顯微硬度如圖3所示，由圖3可知，焊接接頭的顯微硬度整體與焊縫宏觀形貌相匹配。母材顯微硬度約為330.9HVo.2)從母材到焊縫中心，硬度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，焊 縫中心顯微硬度約為母材的1.78倍。硬度升高歸因于組織發(fā)生了馬氏體相變，越靠近焊縫中心馬氏體M相數(shù)量越多，馬氏體α，相中存在大量位錯(cuò)，能夠起到位錯(cuò)強(qiáng)化作用，導(dǎo)致硬度升高。焊縫中硬度也有變化趨勢(shì)，從焊縫頂部到焊縫底部，硬度不斷降低，這是由于不同位置面臨著不同的焊接熱循環(huán)，導(dǎo)致馬氏體α'相的形態(tài)、大小、數(shù)量存在差異。

2.3電化學(xué)試驗(yàn)圖4所示為焊接接頭不同區(qū)域的開路電位

圖，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，所有區(qū)域的電位均不斷升高至趨于穩(wěn)定，這是由于表面鈍化膜的生成。穩(wěn)定后不同區(qū)域的開路電位值大小為焊縫〉熱影響區(qū)〉母材，表明焊縫和母材分別具有最低和最高的腐蝕驅(qū)動(dòng)力。

圖5為焊接接頭不同區(qū)域的Nyquist圖，各區(qū)域均為單個(gè)容抗弧。焊縫的圓弧曲率半徑大于熱影響區(qū)和母材，表現(xiàn)出最優(yōu)的耐蝕性。采用R/QeRct)的等效電路用于擬合結(jié)果，其中R* 為溶液電阻，汕為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Q_dl為常相位角元件(CPE)O擬合結(jié)果見表3,由表3可知，焊縫具有最大的值，分別約為母材和熱影響區(qū)的4.32倍和2.58倍，表現(xiàn)出最優(yōu)耐蝕性。

焊接接頭不同區(qū)域在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線如圖6所示，各個(gè)區(qū)域均存在鈍化現(xiàn)象，鈍化區(qū)的特征為隨著電壓的升高，電流密度受到抑制。鈍化膜作為保護(hù)膜來(lái)抑制鈦合金在相應(yīng)電解液中的溶解，％代表在合金表面上形成的膜的維鈍電流密度。母材、焊縫、熱影響區(qū)的必分別為16.6 |xA/cm\ 10.7 |xA/cm2和12.8 jhA/cm2,通常較低的％意味著合金容易鈍化，戀代表金屬溶解和腐蝕產(chǎn)物快速沉積的總電流密度問。因此，在相應(yīng)的溶液體系中，低認(rèn)易鈍化的區(qū)域通常表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性。

表4為焊接接頭不同區(qū)域通過Tafel外推法擬合出的自腐蝕電位和腐蝕電流密度。自腐蝕電位與開路電位規(guī)律一致。焊縫具有最小的腐蝕電流密度，僅約為母材和熱影響區(qū)的1/10和1/3,表現(xiàn)出最優(yōu)耐蝕性。

焊接接頭不同區(qū)域耐蝕性差異可歸因于兩個(gè)因素。首先，晶粒尺寸會(huì)影響耐蝕性，有研究表明，鈍化首先始于鈦的表面晶格缺陷，晶粒尺寸較小的合金具有較高的晶界密度，鈍化膜具有較高的成核位置密度，這導(dǎo)致鈍化層比例較高，腐蝕速率較低問。此外，雜質(zhì)在大尺寸晶粒合金中會(huì)發(fā)生晶界偏析，從而導(dǎo)致晶間腐蝕。晶界處的優(yōu)先腐蝕可能嚴(yán)重到足以使晶粒脫離表面，從而顯著加快腐蝕速度。相較于母材，焊縫組織更為細(xì)小，因此具有更好的耐蝕性。由于相對(duì)較低的溫度，熱影響區(qū)中馬氏體a'相尺寸小于焊縫。然而電化學(xué)結(jié)果表明焊縫耐蝕性優(yōu)于熱影響區(qū)，說明第二個(gè)因素占主導(dǎo)。電偶腐蝕也是導(dǎo)致耐蝕性差異的重要原因。母材組織為雙相結(jié)構(gòu)，其中A1為a相穩(wěn)相元素，V為0相穩(wěn)相元素，元素差異導(dǎo)致兩相之間存在電偶腐蝕，因此表現(xiàn)出較差的耐蝕性購(gòu)。焊接過程中，由于較高的溫度和較快的冷卻速度，使得焊縫具有單一的組織特征，不存在明顯的電偶腐蝕。然而，熱影響區(qū)保留了少數(shù)初生相，這與后 來(lái)生成的馬氏體a'相存在電偶腐蝕現(xiàn)象。因此，相 對(duì)于焊縫，熱影響區(qū)耐蝕性較差。

3、結(jié)論

(1)TC4鈦合金激光焊接焊縫截面形貌為T形形貌，焊縫組織為晶界明顯的粗大原始β柱狀晶，晶內(nèi)為馬氏體α，相。熱影響區(qū)組織為等軸的原β晶，晶內(nèi)為馬氏體α'相和少數(shù)殘余α相。

(2)由于馬氏體a'相的位錯(cuò)強(qiáng)化作用，從 母材到焊縫中心，硬度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，焊 縫中心硬度約為母材的1.78倍。從焊縫頂部到 焊縫底部，硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

(3)焊縫具有最優(yōu)耐蝕性。焊接接頭不同區(qū) 域耐蝕性差異歸因于晶粒尺寸和電偶腐蝕效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]SCHUBERT E,KLASSEN M.ZERNER I,et al. Light- weight structures produced by laser beam joining for future applications in automobile and aerospace industry[J]. Journal of Marerials Processing Technology, 2001,115 (1):2-&

[2]ZHANG B G,SHI M X,CHEN G Q,et al. Microstructure and defect of titanium alloy electron beam deep penetration welded jointfj]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(11) ：2633-2637.

[3] SINGH P,PUNGOTRA H,KAI^I N S. On the characteristics of titanium alloys for the aircraft applications [J]. Materials Today:Proceedings,2017,4(8):8971-8982.

[4] OUVERA J P,MIRANDA R M,BRAZ F M. Welding and Joining of NiTi Shape Memory Alloys: A Review [J]. Progress in Materials Science,2017 (88) *412-466.

[5] FOMIN F,HORSTMANN M,HUBER N,et at Probabilistic fatigue-life assessment model for laser-welded Ti-6A1- 4V butt joints in the high-cycle fatigue regime卩].International Journal of Fatigue,2018(116): 22-35.

[6]GAO X L.ZANG L J,LIU J,et al. Effects of weld cross-section profiles and microstructure on properties of pulsed Nd： YAG laser welding of T16A14V sheet [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

,2014,72(5-8) ： 895-903.

[7]KUMAR B,BAG S,PAUL C P,et al. Influence of the mode of laser welding parameters on microstructural morphology in thin sheet T16A14V alloy 卩].Optics & Laser Technology,2020(131): 106456.

[8]LI Y,XU J. Is niobium more corrosion-resistant than commercially pure titanium in fluoride-containing artificial saliva[J]. Electrochimica Acta,2017(233) ? 151-166.

[9]APARICIO C,GIL F J,FONSECA C,et al. Corrosion be? haviour of commercially pure titanium shot blasted with different materials and sizes of shot particles for dental implant applications^]. Biomaterials,2003,24(2) ?263-273.

[10]ERTEK EMRE H. The corrosion behaviour of as-welded and post-weld heat treated Ti6A14V alloy in simulated body fluid[J]. Materials Letters ,2019(254): 162-166.

[11]DAIN,ZHANG L C,ZHANG J,et al. Distinction in corrosion resistance of selective laser melted Ti-6A1-4V alloy on different planes [J]. Corrosion Science,2016 (111)： 703-710.

[12]ATAPOUR M,PILCHAK A L,FRANKEL G S,et al. Corrosion behavior of friction stir-processed and gas tungsten arc-welded Ti -6A1-4V [J]. Metallurgical and Materials Transactions,2010,41(9) ：2318-2327.

[13]CHATTOPADHYAY A.MUVVALA G.SARKAR S,et al. Microstructure, mechanical and corrosion properties of electron beam-welded commercially pure titanium after laser shock peening[J], The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2021,118 (1-2): 343-364.

[14]GAO F,CUI Y,LYU Y,et al. Microstructure and properties of Ti-6A1-4V alloy welded joint by keyhole gas tungsten arc welding [J]. Materials Science and Engineering, 2021( 827) :142024.

[15]BALYANOV A. Corrosion resistance of ultra fine-grained Ti[J]. Scripta Materialia,2004,51(3) ：225-229.

[16]ZHOU L,DENG H,CHEN L,et al. Morphological effects on the electrochemical dissolution behavior of forged and additive manufactured Ti-6A1-4V alloys in runway deicing fluid[J]. Surface and Coatings Technology ,2021 (414):127096.

作者簡(jiǎn)介：李 鎮(zhèn)(1998—),男，碩士研究生，研究 方向?yàn)椴牧线B接技術(shù)與工藝。

收稿日期：2022-07-02

相關(guān)鏈接