第18卷第4期V o 1118N o 14材 料 科 学 与 工 程M aterials Science &Engineering
总第72期M ar.2000
收稿日期:1999210215
基金项目：辽宁省博士启动基金资助项目(971120)
作者简介：韩忠(1968—)，女，中科院金属腐蚀与防护重点实验室博士后. 文章编号:10042793x (2000)0420107204
韩忠
(中国科学院金属腐蚀与防护研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，辽宁沈阳 110015)
【摘 要】 概括介绍了钛合金焊接的主要特点，综述了钛合金焊接冶金方面的研究进展，并阐述了该领域的研究前景。
【关键词】 钛合金；钛合金焊接；焊接冶金中图分类号:T G 13 文献标识码:A
Advances i n Titan iu m A lloy W eld i ng M etallurgy
HAN Zhong
(St ate Key Lab .for Corrosion and Protection ,I n stitute of Corrosion and Protection
of M et als ,The Ch i nese Acade m y of Sc iences )
【Abstract 】 T he characteristics of titanium w elding w ere summ arized ,and the advances in titanium al 2loy w elding m etallurgy w ere review ed in th is paper .T he future developm ents of th is field w ere also p resent 2ed .
【Key words 】 titanium alloy ;titanium alloy w elding ;w elding m etallurgy
1 前言
由于钛合金具有强度高、耐蚀性优异，以及加工、成型、焊接性良好而倍受设计者的青睐，又因与先进的复合材料在热学、电化学方面的相容性，一直是航空、宇航工业上应用的重要结构材料。焊接作为钛合金加工中的重要手段，有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面独特的优势。因此钛合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视[1]。近年来，人们把研究重点从研究钛合
金焊缝及热影响区与母材性能的差异转移到研究钛合金焊接冶金上。只有从冶金因素上出产生焊缝与母材性 能不同的原因，才能从根本上解决钛合金焊接存在
的问题。
2 钛合金焊接主要特点
211 高温时钛对气氛的高活性
钛对氧和氮的亲和力大大超过铁对这些元素的亲和力。氮和氧在相当宽的浓度范围内与钛形成间隙固溶体。这些元素强烈地降低金属的塑性，并提高其硬度。钛和氢也有极强的亲和力，氢在钛中的溶解度达33%(原子)，钛吸收氢以后形成氢化钛，通常沿孪晶线和滑移面析出，从而增加了金属中的氢含量，使韧性急剧下降。增大形成冷裂纹和延迟裂纹的
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铅酸蓄电池组装701・
倾向，并增加对缺口的敏感性[2,3]。这些元素间隙杂质在特殊情况下还能引起焊缝脆性断裂。
钛合金加热到高于Α→Β转变的临界温度时，晶粒长大的开始瞬间，是以晶界突跳式位移的方式进行的[4]。随着晶粒尺寸的增加，晶粒长大的速度减慢。但是随着温度的提高，晶粒长大的速度又重新加快。
钛合金焊接时热影响区中Β晶粒的长大，首先取决于最高加热温度[5]。在此温度下的停留时间和近缝区的冷却速度，对晶内组织和晶粒尺寸产生显著影响，而对晶内组织的影响又远大于对晶粒尺寸的影响。 在靠近熔合线的热影响区内，晶粒长大使焊接接头的强度和塑性降低。钛合金焊缝和近缝区金属的粗大结晶组织，在随后的加工中将导致性能降低。213 焊接接头冷却时形成脆性相
焊接时发生在热影响区的组织转变，类似于基体金属淬火时组织转变的过程。根据合金化元素含量和热处理规范的不同，钛合金能形成以下的亚稳定相:Α′、Α″、Ξ和Β。由于这些相能显著地改变近缝区金属的性能[6]，因此选择避免在近缝区的最终组织中产生脆性和不稳定相的焊接规范是焊接钛合金的重要前提。高强度钛合金的焊接，在焊接热循环作用下相和组织转变的特征，常常导致焊缝金属的脆化。
3 钛合金焊接冶金的研究进展
过去人们评价钛合金焊接性一直集中于研究焊缝金属性能与母材性能不同的工艺因素，近十几年来，人们开始研究焊缝金属性能与母材性能不同的冶金因素。钛合金焊接冶金是一个十分复杂的问题，它主要包括熔化和凝固，连续冷却相变，焊后热处理以及组织和性能的关系。
311 熔化和凝固
钛合金熔化焊焊缝金属的显著特点是生成粗大的柱状Β晶粒，这些晶粒是以熔池边缘的固相为理想的形核基底，背向散热方向外延生长而形成的。见图1。这种Β柱状晶的形态、尺寸由“竟相生长”过程决定，也取决于焊接熔池的形状。Β晶粒总是沿着平行最大温度梯度的某一方向(对BCC结构的Β相为〈100〉)优先生长。而Β晶粒尺寸及形态又直接影响焊缝金属的性能。因此，控制焊缝金属晶粒尺寸一直是焊接工作者研究的主题
。
图1 熔化焊焊缝金属晶粒外延生长示意图
(a)高焊接速度下的泪滴形熔池
(b)低焊接速度下的椭圆形熔池[9]
细化焊缝金属晶粒的方法主要有控制焊缝区能量输入、电磁搅拌、电弧摆动、低频和高频脉冲、变质处理、喷射保护气体以及这些方法的综合利用[10]。此方面国内很有代表性的工作是陈晓风研究员提出的电子束回扫热源法的细化晶粒机理。钛合金焊缝金属晶粒细化的方法通常为电磁搅拌、变质处理以及两者结合[11]。
钛合金熔化焊焊件中的宏观偏析主要是以横向溶质带的形式产生。这些溶质富集带和溶质贫乏带以曲线形式出现在抛光后的焊件表面。宏观偏析对焊后冷却过程中Β相的分解的影响取决于相变温度下的残余偏析程度和局部的合金成份。在较强Β稳定合金中，可观察到很大的影响[12]。凝固以后固态相变以前的溶质扩散能减小宏观偏析程度。但在近Α、Α+Β合金的熔化焊研究中却很少报道，在亚稳Β钛合金焊缝金属件中微观偏析有很多报道[13]。这是由于焊缝合金化程度高并且焊缝区只存在Β相，而没有其它相变组织。
钛合金焊缝中心热裂纹和末端收缩裂纹时有发生[14]。这些凝固裂纹可通过控制Β晶粒的形态以及减小焊缝约束度来消除。Enoue[15]研究了T i26A l2 4V,T i26A l26V22Sn和T i25V22A l23C r23Sn三种钛合金焊接凝固裂纹的敏感性。结果表明,T i26A l24V 合金焊缝中根本没有凝固裂纹，而其它两种钛合金焊缝中有明显的凝固裂纹，其中T i25V22A l23C r-
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8
1
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3Sn 合金对焊接凝固裂纹最为敏感。这与合金中溶
质原子扩散速度慢，合金元素枝晶偏析密切相关。
钛合金焊缝金属中的气孔是经常产生的凝固缺陷，人们为提高重要焊接结构体的安全可靠性进行了不懈的努力。氢进入熔池在凝固中形成气孔的机制已达成共识[16—19]。312 连续冷却相变
前面所述的宏观凝固组织特点直接影响钛合金焊缝金属的性能。然而固态Β转变的微观组织对其性能的影响也较大。最为有效地描述固态相变的方法是连续冷却相变图(CCT 图)。一种假设的二元钛合金CCT 图典型见图2[20—24]。假设钛中Β相的马氏体分解无热发生,Β相分解的三种基本类型由图2说明:(a )冷却速度低于临界冷却速度CR 22时的扩散机制的Α形核长大;(b )冷却速度超过临界冷却速度CR 21时的无扩散的剪切相变，产物为六方马氏体;(c )冷却速度在CR 21和CR 22之间时有两种类型共存的相变，包括扩散型相变和马氏体相变。但是，许多研究表明钛合金熔化焊件冷却时的相变机制比CCT 图预测的要复杂得多
。
图2 一种假设的近Α和Α+Β钛合金的
连续冷却相变图
Shan 等的最新研究工作[25,26]是用计算机模拟T i 26A l 24V 合金焊接热影响区晶粒长大及相变过
程，研究结果直观地显示出不同的焊接参数和它们对热循环及热影响区相变的影响之间的内在联系，因此可用来合理选择焊接参数，以优化焊缝热影响区性能。
313 焊后热处理及组织和性能的关系
焊接方法及焊接规范等均会影响焊接缝凝固组织的晶粒取向、晶粒尺寸以及焊后冷却速度，最终导致影响其组织的性能。焊后热处理是改变焊缝微观组织及其性能的有效手段。在决定钛合金焊缝金属
性能的因素中，焊缝熔合区的微观组织将起着重要的作用。焊后热处理是通过采用特定的热处理工艺改变相的稳定性，来达到改变微观组织的目的[27—29]。
钛合金中的组织主要包括在近Α、Α+Β型钛合金中的Α相和六方马氏体a ′相，在Β稳定的Α+Β型钛合金中的Α相和斜方马氏体Α″相，以及在近Β和亚稳Β型钛合金中的残余Β相。
近Α和Α+Β型钛合金焊缝的低温热处理(400-500℃)会在亚晶界处产生Β相沉淀和过饱和六方体中的位错[30]。这种沉淀会减小Β稳定元素在Α基体上的偏析，使其更接近平衡的Α相。而且Α片的尺寸及形态均同焊态Α相基本相当。而当热处理温度增大到650℃时,Α片明显粗化，在Β晶界形成连续或半连续的Α相。
在近Β及亚稳Β型钛合金焊缝的低温热处理中却经历了明显的组织变化。在焊态下，合金中主要是含有Ξ相的残余Β相。这种Ξ相细小得在光学显微镜下无法发现[31]。480℃等温时效在晶间形成细小的Α相，以连续的形式出现在Β晶界。当热处理温度达到565℃和650℃时,Α相均明显粗化。
尽管焊后热处理对钛合金焊缝的组织及其性能有所改善，但在生产实际应用中要防止焊接结构体变形也是十分困难的，而且费用很高。T hom as 等对T i 26A l 24V 电子束焊后热处理的研究表明[32],Α相的粗化和晶界Α的形成并不能提高其延伸率。
钛合金焊缝金属的强度主要取决于相组成及分布状态。在近Α、Α
+Β合金快冷焊缝金属中，细小的Α基马氏体组织的强度高，比焊后低温热处理后的强度还要高些。通过降低冷却速度或提高焊后热处理温度，微观组织粗化引起晶内滑移，使屈服强度和抗拉强度降低[33]。在更稳定的Α+Β合金快冷焊缝金属中的斜方体Α″，则随着焊后热处理温度的增加，其强度下降。在较低冷速的氩弧焊、等离子弧焊焊缝连续冷却过程中，形成很细小的Α相使其强度提高。但是
焊后热处理Α相粗化使其强度下降。近Β和亚稳Β合金焊缝中的残余Β相很软，屈服应力低，时效形成细小的Α相提高强度和硬度，但也随热处理温度的提高,Α相的粗化，使强度、硬度下降[34—36]。
钛合金焊缝金属及热影响区的低塑性明显限制了其应用[37]。研究表明，焊缝的低塑性受Β晶粒形态、Β微观组织以及连续的晶界Α相的影响。当晶界Α相的存在配合细小的Β微观组织，在外应力作用下，使晶界在高强度的晶内组织变形之前首先变形。
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901・
人工智能垃圾桶晶界滑移与晶内Β组织滑移不相容，而使滑移集中的Β晶界出现低塑性断裂[38]。晶界Α相的存在配合粗化的Β组织及残余Β相时，晶界Α和Β组织间的强度差别很小，并不存在滑移集中，而使焊缝金属塑性提高[39]。
钛合金焊缝金属中细小的魏氏组织和晶界Α相分布提高了断裂强度，这与退火Β钛合金断裂强度提高相一致。这种高断裂强度的产生原因是沿Β晶界裂纹尖端的钝化及分枝[40]。用高能密度焊接方法焊接Α+Β合金时，焊缝金属断裂强度明显低于母材。M urthy[41]的研究表明，焊接金属断裂强度的提高与粗大的层状组织和不连续的球状晶界Α相有关。
4 结束语
尽管优化了焊接工艺参数，选用了冶金和焊后热处理等措施，使钛合金焊缝金属的静载强度和塑性提高到母材的水平，但是由于焊缝金属中粗大柱状晶的存在，使钛合金焊缝金属动载强度和抗介质腐蚀性能显著降低。因此研究钛合金焊接冶金，利用其系统的知识控制焊缝及热影响区组织，获得理想的焊接接头性能，已成为钛合金焊接领域的关键问题。
近些年来，对钛合金焊接冶金原理的理解越来越深入，但一些重要问题仍不是很清楚，有待于更深入地开展研究。其中计算机辅助热流分析的应用，将会利用焊接冶金知识预测和控制焊缝组织和性能，而不需要大量的实验。高分辨电子显微镜的发展会使复杂的相变能够更准确地判定，这将有助于提高连续冷却相变图的准确性。对中低强度钛合金焊缝金属中Β晶粒尺寸的深入研究仍需进行，因为其晶间断裂与Β晶粒尺寸无关。针对钛合金焊缝金属晶粒长大倾向大的特点，细化焊缝金属Β晶粒尺寸的研究将继续进行。
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