成小樂,周思君,符寒光,趙冰,白秉哲,牛勇

(1.西安工程大學機電工程學院,710048,西安;2.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室,710032,西安;3.清華大學材料科學與工程系,100084,北京)

鈦合金雖然具有優(yōu)異的力學性能及化學性能[1-2],但塑性低、極限變形率低、變形抗力大、易回彈等缺點極大地限制了鈦合金熱加工工藝的應用。國內外學者對影響鈦合金塑性的因素進行了大量研究[3-5],發(fā)現當鈦合金中加入適量的氫,可有效改善鈦合金的熱加工性能[6-9],例如為增加鈦合金的延展性,降低流變應力,將少量的氫加入到α和α+β鈦合金中可大幅度提高其超塑性成型的能力[10-11]。這是由于氫可以降低α+β→β相轉變溫度約100～150 ℃[12-13],提高延展性較好的β相數量,使原來α相為主的鈦合金變成雙相,應變速率也能提高一個數量級,約為10-3～10-2s-1[14]。但是,塑性成形過程中材料在高溫下保持較長的時間容易發(fā)生氧化,使力學性能降低,生產效率低下[15]。采用擴散連接技術不僅可以實現高效化、低成本,而且能制備復雜結構鈦合金制品,是有效填補塑性成形工藝不足的方法之一。本文利用置氫來改善TC4鈦合金的擴散連接性,觀察了置氫量對擴散連接性能的影響,并探討了氫促進擴散連接的作用機理。

1 試驗材料及方法

1.1 置氫試驗

試驗所使用的置氫TC4(Ti6-Al-4V)鈦合金材料均由中國北京航空制造工程研究所提供。該研究所采用固態(tài)置氫試驗方法,利用置管式氫處理爐在750 ℃下置氫,保溫,再空冷到室溫,得到了氫質量分數w(H)分別為0、0.15%、0.25%、0.35%和0.5%的置氫TC4鈦合金(晶粒尺寸為5 μm)。本文在相同擴散連接溫度條件下,觀察了不同置氫量的TC4鈦合金微觀組織形貌的變化規(guī)律。

1.2 置氫TC4鈦合金擴散連接

考慮到真空擴散連接時氫的逃逸對試驗的影響,首先對試樣的待焊接表面進行清洗,使用丙酮進行脫脂除去試樣表面的油污,接著用HF、HNO3溶液進行酸洗和堿液中和,利用超聲波清洗去除表面氧化膜和殘留酸洗痕跡,最后用蒸餾水洗滌后吹干。

在Gleeble1500D熱/力模擬試驗機上采用電阻加熱方式對各置氫量TC4鈦合金進行擴散連接試驗,其過程為:裝樣→抽真空至6 mPa→以10 ℃/s的速率升溫至連接溫度→保溫→以10 ℃/min的速度冷卻至室溫。

1.3 顯微組織觀察

對置氫TC4鈦合金進行掃描電鏡(SEM)微觀組織形貌觀察,分析生成相。SEM使用加速電壓為20 kV的JSM-6460LV,采用Kroll腐蝕劑HF-HNO3-H2O(質量比為10∶5∶85)對試樣進行腐蝕。

采用Image-Pro Plus軟件對擴散連接界面SEM圖進行分析,得到界面孔洞彌合率,檢測擴散連接后的界面結合性。

500 ℃下氫在α和β相中的擴散系數采用下式[16]計算

(1)

(2)

式中:T=500 ℃;Dα-H、Dβ-H分別為氫在鈦合金α相和β相中的擴散系數。

2 結果及討論

2.1 置氫量與孔洞彌合率的關系

由于TC4鈦合金β相穩(wěn)定化系數(Kβ=0.27)較低,若要使置氫TC4鈦合金擴散連接后β相穩(wěn)定地保留至室溫,擴散連接溫度需要在α+β兩相區(qū)且盡可能接近相變點溫度,這樣也可避免脆性相氫化鈦TiH2(δ相)的析出。根據圖1所示的Ti6-Al-4V-H的相圖[17]可知,w(H)=0.5%的TC4鈦合金β相轉變溫度由980 ℃降至805 ℃[18]。為了更好地研究置氫鈦合金擴散連接過程中相的轉變及微觀結構的變化,選取棒材的連接溫度為750 ℃和840 ℃。

圖1 Ti6-Al-4V-H的相圖

圖2所示為棒材在連接溫度750 ℃、壓力5 MPa、保溫時間10 min時不同置氫量的TC4鈦合金擴散連接的界面組織形貌,觀察到擴散連接的界面處以貫穿式孔洞為主,連接區(qū)域較少,其擴散連接性能的好壞可以通過連接界面孔洞的數量及形狀來判斷。如圖2b～2d所示,隨置氫量w(H)的增加,連接界面孔洞的數量及形狀逐漸減少、變小,增加了孔洞彌合率(如圖3所示),使擴散連接的界面結合性增強。這是由于氫的加入使擴散系數(Dα-H=5.7×10-10m2/s,Dβ-H=2.6×10-9m2/s)與同溫度下Ti在α和β相中的自擴散系數相比增加了109倍,擴散能力增強,有效降低了流變應力和變形溫度[19],并可細化組織,提高晶界遷移擴散率,從而發(fā)生晶粒轉動與晶界滑動,有利于接觸界面局部接觸點的蠕、塑性變形,同時還能提供更多的晶界,故界面孔洞彌合率增加。雖然置氫對TC4鈦合金焊接性能有很明顯的改善作用,但連接效果不理想。對比圖2d和2e還發(fā)現,置氫量并非越高越好,存在一個峰值。

(a)w(H)=0

(b)w(H)=0.15%

(c)w(H)=0.25%

(d)w(H)=0.35%

(e)w(H)=0.5%圖2 保溫10 min時置氫TC4鈦合金擴散連接SEM圖

將不同擴散連接溫度、壓力及時間的置氫鈦合金擴散連接孔洞彌合率進行對比發(fā)現(如圖3所示),連接溫度的提高和壓力的增大有效地提高了界面孔洞彌合率,這是由于加熱溫度的微小變化會使氫擴散速度產生較大的變化。在一定的溫度范圍內,溫度越高擴散系數越大,在界面相互擴散更加充分,所獲得的結合界面強度越高。當w(H)=0.25%時,在840 ℃、15 MPa下擴散連接60 min的TC4鈦合金無孔洞,效果最好,但高溫、高壓持續(xù)時間太長,對擴散接頭質量起不到進一步的提高作用,反而會使母材的β晶粒長大。

圖3 置氫量與孔洞彌合率的關系

(a)w(H)=0

(b)w(H)=0.25%

(c)w(H)=0.35%

(d)w(H)=0.5%圖4 保溫2 min時置氫TC4鈦合金擴散連接SEM圖

2.2 置氫鈦合金擴散連接機理

圖4為不同置氫量的TC4鈦合金在連接溫度840 ℃、壓力15 MPa、保溫20 min時的擴散連接界面組織形貌。在圖4a～4c中,TC4鈦合金基本保持了原始的等軸α+β雙相組織,且除孔洞以外焊接區(qū)的組織形貌和基體一致,很難區(qū)分焊接區(qū)和基體區(qū)。在圖4b、4c中觀察到β相明顯長大且數目增多,這是由于氫是β相穩(wěn)定元素,可降低α+β→β相轉變溫度,穩(wěn)定β相。在圖4d中,α+β→β相轉變溫度降低為805 ℃,此時α相完全轉變?yōu)棣孪?但是β相的過度生長導致晶粒粗大化,等軸性消失,造成晶粒轉動、晶界滑移等超塑變形過程的困難,同時有較多的脆性相δ相(FCC晶體結構)析出,削弱了連接界面的力學性能[20]。

(a)w(H)=0.15%

(b)w(H)=0.25%

(c)w(H)=0.35%

(d)w(H)=0.5%圖5 保溫60 min時置氫TC4鈦合金擴散連接SEM圖

圖5為不同置氫量的TC4鈦合金在連接溫度840 ℃、壓力15 MPa、保溫60 min時的擴散連接界面組織形貌。與圖3中相同置氫量下相比,除孔洞彌合率增加和δ相的析出,圖5c、圖5d中β相的增長更加劇烈,出現了大量片層組織(α+β雙相)和板條狀組織(馬氏體α′),焊縫區(qū)由細小的類似等軸晶粒和越過焊縫生長的帶狀晶組成。

綜上所述,w(H)=0.25%的置氫TC4鈦合金的擴散連接機理大致可分為3個階段(如圖6所示):①在室溫時,置氫TC4鈦合金為等軸α+β雙相組織,同時連接表面處于緊密接觸狀態(tài);②在擴散連接的過程中原子間的相互作用形成原子結合,由于氫是β相穩(wěn)定元素,可降低α+β→β相轉變溫度,β相長大且數量增多,但界面孔洞未完全閉合;③置氫TC4鈦合金仍基本保持了原始的等軸α+β雙相組織,α相逐漸球化,β相的轉化和穩(wěn)定使其形成了網狀連接,且越過焊縫區(qū)生長,連接界面的孔洞逐漸閉合直至孔洞完全消失,同時擴散連接中無脆性相δ新相生成,保證了材料的強度。

(a)物理接觸

(b)擴散

(c)界面和孔洞消失圖6 w(H)=0.25%的置氫TC4鈦合金擴散連接過程示意圖

3 結 論

(1)氫的擴散系數遠大于Ti在TC4鈦合金中的自擴散系數,且其在β相中的擴散系數比在α相中的擴散系數大兩個數量級左右,可顯著提高置氫TC4鈦合金的擴散系數。

(2)置氫可降低α+β→β相轉變溫度,穩(wěn)定合金中的β相,還可促進晶界擴散,提高晶界活性。

(3)在w(H)=0.25%時擴散連接效果最佳,此時焊接區(qū)無擴散孔洞,鈦合金組織仍為α+β雙相組織,且晶粒無明顯長大。對應的最佳工藝參數為:擴散連接溫度840 ℃,壓力15 MPa,保溫時間60 min。