鈦合金在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，焊接鈦合金的方法不斷更新迭代。本文探討了一種焊接鈦合金的新趨勢(shì)與新進(jìn)展。

摘要

如今，鈦合金因其高強(qiáng)度重量比、耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度的特性在各種復(fù)雜工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。這使得異種鈦合金在單個(gè)單元中實(shí)現(xiàn)對(duì)比特性變得流行。結(jié)構(gòu)制造過程中，焊接等連接方法是實(shí)現(xiàn)所需特性的關(guān)鍵。本研究旨在綜述用于不同鈦合金焊接的各種先進(jìn)工藝。

特別研究了鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）、激光和電子束焊接等不同焊接方法對(duì)α、α+β和β鈦合金異種焊縫組織、力學(xué)性能及其它特性的影響。探討了影響焊接工藝參數(shù)對(duì)合金機(jī)械強(qiáng)度、顯微組織和焊接接頭質(zhì)量的基本現(xiàn)象。此外，還對(duì)熔合區(qū)孔隙率和界面區(qū)金屬間化合物概念的演變進(jìn)行了詳細(xì)研究。另深入研究了提高接頭質(zhì)量的各種補(bǔ)救方法，如光束偏移、工藝雜交、時(shí)效和焊后熱處理等。結(jié)合鈦合金異種焊接的工業(yè)上應(yīng)用最新趨勢(shì)，介紹了該領(lǐng)域進(jìn)一步研究的最新進(jìn)展。

Ti6A1-4V/Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn熔焊件的結(jié)構(gòu)特征。（a）顯示Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn熔合邊界區(qū)域的光宏圖。大箭頭表示明顯的熔合邊界。（b） 顯示rn'人工轉(zhuǎn)化帶的光顯微照片。（c） 掃描電子顯微照片，顯示轉(zhuǎn)化帶結(jié)構(gòu)和相鄰的β區(qū)。

1．介紹

隨著技術(shù)的發(fā)展，在工程產(chǎn)品方面實(shí)現(xiàn)卓越的需求也在增加。通過將不同的材料組合在一個(gè)產(chǎn)品中，就可以實(shí)現(xiàn)多種功能。鉚接、熱縮配合和焊接是工業(yè)中用于連接不同材料的一些工藝。其中，焊接是首選，尤其是在高溫和高壓應(yīng)用中，如壓力容器和飛機(jī)結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫哂懈邚?qiáng)度要求的增強(qiáng)密封。

然而，就長期服務(wù)提供而言，結(jié)構(gòu)完整性可能會(huì)受到影響。特別是，異種合金的焊接可能會(huì)導(dǎo)致焊接接頭界面處的不相容問題，因?yàn)椴牧咸匦圆煌鐚?dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹和彈性模量。對(duì)于Ti-6-4/Ti-22Al-27Nb焊接接頭，不同材料的上述性能差異導(dǎo)致元素分布發(fā)生顯著變化，如圖1所示。觀察到元素向基底金屬（BM）區(qū)域的擴(kuò)散很??；但是，熔化區(qū)域受到顯著影響。

圖1 采用3kw CO2激光焊接機(jī)獲得的Ti-6-4(TC4)/ Ti-22Al-27Nb異種焊縫截面b元素分布

2．鈦合金的性能和應(yīng)用

鈦以兩種同素異形體形式存在，一種是封閉六角形結(jié)構(gòu)(HCP)的α相(α相)，而β相(β-phase)是體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)。加熱時(shí)，hcp結(jié)構(gòu)的α相在β過渡溫度(t β transsus)轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc結(jié)構(gòu)的β相。鈦的Tβtransus約為885°C，是合金元素及其比例的函數(shù)。用于鈦合金的合金元素可分為三類。第一組元素為α-穩(wěn)定劑，在室溫下保持HCP晶體結(jié)構(gòu)并提高β-過渡溫度，所得合金被視為α-鈦合金。鋁（Al）和間隙元素，如氧（O）、氮（N）和碳（C）是強(qiáng)α-穩(wěn)定劑。第二組元素是β-穩(wěn)定劑，可以穩(wěn)定BCC晶體結(jié)構(gòu)，降低β-過渡溫度，因此稱為β鈦合金。釩（V）、鉬（Mo）、亞鐵（Fe）、錳（Mn）、鉻（Cr）、氫（H）、鈷（Co）、銅（Cu）和鉭（Ta）是β-穩(wěn)定劑的示例。第三組元素為固溶體增強(qiáng)劑，不影響β-transus溫度。如錫（Sn）和鋯（Zr），它們表現(xiàn)為中性，對(duì)相變溫度影響很小。

凝固速度增加導(dǎo)致富溶質(zhì)帶形成的示意圖。Co為標(biāo)稱合金成分，k為平衡分配比。（a） 在R~處的穩(wěn)態(tài)凝固，（b）生長速率從R~增加到R 2，（c）在R 2處的穩(wěn)態(tài)凝固（經(jīng)過Flemings之后）

因此，添加它們是為了通過限制滑移變形和位錯(cuò)移動(dòng)來改變合金的性能。α-合金在室溫下具有非常有限的BCCβ相。同樣，α- β合金在室溫下同時(shí)保留了α相和β相。α - β鈦合金中的合金元素在室溫下起到穩(wěn)定劑的作用，使β相保持不變。Β-alloys在冷卻到室溫時(shí)，由于β穩(wěn)定元素的作用，易于保持β相。。圖2顯示了β穩(wěn)定劑數(shù)量的增加對(duì)β相室溫穩(wěn)定性的影響，這也與馬氏體起始溫度（Ms）有關(guān)。在此溫度下，BCC（β相）開始轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧頗CP（α相）微觀結(jié)構(gòu)，稱為馬氏體，并依賴于合金元素。如圖2所示，β-穩(wěn)定劑用量的增加降低了Ms值。

圖2 鈦合金的α β相圖

2.1α-鈦合金

一般而言，鈦合金因具有許多吸引人的特性而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)。例如，在航空航天工業(yè)中，常使用α-鈦合金，如Ti–3Al–2.5V、Ti–5Al–2.5Sn、Ti–8Al–1Mo–1V和Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo等，主要是因?yàn)樗鼈兙哂泻軓?qiáng)的抗腐蝕性和在高溫下的顯著機(jī)械強(qiáng)度。其他α-合金，如商用純鈦（C.P.Ti）、Ti-12、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6-2-4-2和Ti-8Al-1Mo-1V具有優(yōu)異的焊接能力和耐腐蝕性。

但由于它們是單相合金，熱處理過程不會(huì)改變相，且機(jī)械性能也不會(huì)發(fā)生顯著變化，因此無法通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。對(duì)于單相α-鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制很少。這些包括固溶體、晶粒尺寸、織構(gòu)和沉淀硬化/強(qiáng)化機(jī)制，但范圍有限。

其中一些合金被稱為近α，含有少量β穩(wěn)定元素，使熱處理和機(jī)械性能改善成為可能。即使在極低溫度下，α和近α合金也比β鈦合金具有更好的蠕變性能。α-合金的強(qiáng)度與300系列退火不銹鋼相當(dāng)，重量減少約40%。該組的高鋁含量導(dǎo)致了優(yōu)異的強(qiáng)度特性和在高溫（即316–593°C）下的抗氧化性。與同時(shí)具有HCP和BCC相的β-和α+β-鈦合金相比，α-鈦合金具有完整的HCP晶體結(jié)構(gòu)，在于其相對(duì)較低的強(qiáng)度和延展性。HCPα-結(jié)構(gòu)有三個(gè)滑移面，而BCCβ-結(jié)構(gòu)有48個(gè)滑移面，因此，α-合金中滑移變形的減少使其在室溫下的韌性降低。

此外，由于滑移面密集堆積，HCP結(jié)構(gòu)的滑移臨界剪切應(yīng)力(CRSS)小于BCC結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致前者的抗變形強(qiáng)度低于后者。然而，在高溫下，HCP組織中會(huì)產(chǎn)生額外的滑移體系，從而提高了α-合金的延展性，因此α-合金在高溫下的性能優(yōu)于β-合金。α-合金的其他局限性包括熱處理窗口非常窄，因此可以用于強(qiáng)化的選項(xiàng)較少。

2.2 α+β-鈦合金

常見的α+β鈦包括Ti–6Al–4V、Ti–6Al–7Nb、Ti–6Al–6V–2Sn、Ti-17和Ti-550，它們具有良好的強(qiáng)度和成形性能。此外，這些合金具有較寬的熱處理窗口，因此可以改善機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用。通過進(jìn)行機(jī)械加工和/或熱處理操作來改變這些合金的機(jī)械性能具有廣泛的靈活性。根據(jù)合金成分和加工路線，合金的最終微觀結(jié)構(gòu)可以是完全等軸、層狀或雙峰。這些合金的β-transus溫度低于α-合金，因?yàn)闊峒庸ず驮俳Y(jié)晶處理是在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行的，因此產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)順序。

α+β-鈦合金

2.3 β-鈦合金

Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-Mo和Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-0.05Pd是具有良好成形性和熱處理響應(yīng)性的β鈦合金。由于BCC結(jié)構(gòu)中存在大量的滑移面，因此BCCβ相比HCPα相具有更大的韌性。此外，與α和α+β鈦合金相比，這些合金在熱處理?xiàng)l件下具有最高的強(qiáng)度。然而，更高的密度、更高的成本和微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性是其中的一些缺點(diǎn)。一些β-鈦合金（包括Ti–10V–2Fe–3Al、Β-21S等）中出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，這是因?yàn)楹写罅亢辖鹪?，?huì)析出瞬態(tài)和脆性相。

此外，β-鈦合金的焊接性能一般較差，因?yàn)榇嬖讦?穩(wěn)定劑，從而抑制了強(qiáng)化沉淀的形成，降低了焊接接頭的強(qiáng)度，因此焊接接頭的強(qiáng)度低于母材。與α-合金相比，β-鈦合金可以達(dá)到顯著的高強(qiáng)度水平。例如，在cpTi中，β相非常有限，因此，較少的α/β晶界阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)。然而，富β合金中較高比例的α/β晶界充當(dāng)位錯(cuò)屏障和應(yīng)變不相容性的場(chǎng)所（兩相之間材料性質(zhì)的差異導(dǎo)致相同外加載荷下的不同應(yīng)變率），從而使其成為高強(qiáng)度合金。表1概述了鈦合金的性能和代表性應(yīng)用。

表1 鈦合金性能比較綜述

3．鈦及其合金的焊接

鈦合金的連接可以通過幾乎所有的焊接工藝進(jìn)行，如激光束焊接（LBW）、鎢極惰性氣體焊接（TIG）、電子束焊接（EBW）和攪拌摩擦焊接（FSW）。鈦合金焊接過程中需要考慮的主要因素是鈦對(duì)大氣氧的高親和力。鈦表面在室溫下形成的氧化層是其高耐蝕性的主要原因；然而，隨著溫度的升高，該氧化層的電阻迅速降低，因?yàn)樵诟邷剡^程中，大氣污染成為一個(gè)問題。一般而言，鈦及其合金對(duì)熔焊操作表現(xiàn)出良好的響應(yīng)，這是由于以下一些固有特性：

?導(dǎo)熱系數(shù)低。

?低密度。

?熔池的高表面張力。

LBW、EBW和FSW均用于生產(chǎn)鈦合金的高質(zhì)量焊縫；然而，它們的運(yùn)營涉及到較高的資本成本。相反，TIG焊接工藝有利于鈦合金，因?yàn)樗哂幸恍╋@著的特點(diǎn)，如操作成本低、易于自動(dòng)化和靈活性。此外，這些特性使TIG焊接成為應(yīng)用最廣泛的金屬連接技術(shù)。TIG焊接有可能以更低的成本生產(chǎn)出與LBW和EBW質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮缚p。此外，對(duì)于Ti–6Al–4V等鈦合金，TIG焊接接頭的沖擊韌性高于EBW和LBW接頭。這可能歸因于晶界α-和先前β-晶粒的粗糙微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了沖擊斷裂期間裂紋的分支，并增加了斷裂所需的能量。此外，粗糙的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻，并具有三軸應(yīng)力狀態(tài)，可抵抗應(yīng)力空化。

每個(gè)焊接過程中熱源的性質(zhì)不同，因此功率密度（平均功率與表面積之比）存在顯著差異，如圖3所示。

圖3 不同焊接工藝的功率密度，“GTAW”為TIG焊接，“PAW”為等離子弧焊

LBW因其快速加工能力而廣泛應(yīng)用于鈦合金。LBW（Nd:YAG和光纖激光器）的脈沖形式是一種先進(jìn)的工藝，在這種工藝中，熱源更密集，使得每次脈沖后焊接區(qū)發(fā)生熔化和凝固。理想的焊接模式可以通過脈沖能量、形狀、持續(xù)時(shí)間、速度和重復(fù)率等參數(shù)的最佳組合來選擇，因此它比TIG焊接更有效和可控。在電子束焊接過程中，熔合熱源是一束指向工件的高速電子束。電子束焊接設(shè)備包括陰極和提供強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)以加速電子的裝置。焊接操作期間使用真空為鈦合金提供了一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿刍暮附映厥艿奖Ｗo(hù)，免受大氣氧氣的污染。

電子束焊接的功率密度約為1012W/m2，而傳統(tǒng)TIG焊接工藝的功率密度約為109W/m2，因此在單道次焊接中可獲得較高的功率密度，同時(shí)可降低總熱輸入。Schultz得出結(jié)論，與LBW和TIG焊接操作相比，由于電子束焊接具有顯著的工作距離，因此可以焊接各種尺寸和幾何形狀的工件。Saxena將GMAW(金屬極惰性氣體保護(hù)電弧焊)與EBW進(jìn)行了比較，并得出結(jié)論，后一種技術(shù)焊接150mm厚不銹鋼所需的時(shí)間和焊道數(shù)顯著減少（與GMAW的4小時(shí)、35分鐘和35次焊道相比，EBW只需27分鐘和單次焊道）。

EBW還可用于生產(chǎn)高性能鎳基合金、Ti2AlNb和NiTi基形狀記憶合金的高質(zhì)量焊縫。Weglowski等人從技術(shù)、現(xiàn)代趨勢(shì)和應(yīng)用方面對(duì)EBW進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。與LBW相比，EBW更適合反射激光束的有光澤表面的金屬。Bing報(bào)告說，EBW因?yàn)槠渖疃暮附訁^(qū)（WZ）、顯著減少的熱影響區(qū)（HAZ）和可靠性，仍然是大多數(shù)金屬的首選連接方法。此外，小于1–300 kW范圍內(nèi)的光束功率使焊接厚度在0.5到300 mm范圍內(nèi)的薄板成為可能。

來源：Infuence of welding processon the properties of dissimilar titanium alloy weldments:a review，JMST Advances (2020) 2:61–76，10.1007/s42791-020-00034-4

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