高潘 曾衛(wèi)東 張傳臣 徐建偉

摘要：為進一步提升TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭的綜合力學性能，對比分析了焊接接頭一次退火和雙重退火對微觀組織和力學性能的影響。結果表明，一次退火后，接頭各個區(qū)域的組織特征與退火前差異較小，焊縫中心區(qū)為細小的再結晶晶粒及針狀α相，熱力影響區(qū)呈現沿振蕩方向拉長的流線組織。但雙重退火后，接頭組織發(fā)生明顯變化，焊縫中心區(qū)出現晶粒長大、片層α相粗化以及晶界α相不連續(xù)等現象。熱力影響區(qū)內α相片層粗化且片層間距增加，同時在粗化的片層α相周圍析出許多長大的短棒狀α相。母材區(qū)內片層α相發(fā)生粗化且有次生相析出。性能對比顯示雙重退火明顯優(yōu)于一次退火，其中強度和沖擊功分別提升了91MPa和24.4J，塑性仍保持較高水平。

關鍵詞：線性摩擦焊；焊后熱處理；鈦合金；雙重退火；力學性能

中圖分類號：TG166.5文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.007

基金項目：航空科學基金（201911053001）

隨著飛機設計理念由單純強度向損傷容限設計原則的轉變，鈦合金材料也逐步由追求單一高強度向高強度、高模量、高韌性以及低裂紋擴展速率等損傷容限型綜合高性能的方向發(fā)展[1-3]。對于先進戰(zhàn)機的某些結構部件，不同部位的受力情況不同，對其材料的性能需求也不同，如翼肋，該部件包含耳片和支撐梁兩個主要部位，耳片在服役過程中承受較大載荷，對材料的強度和韌性要求較高，高強高韌鈦合金TC21可滿足使用要求[4]；支撐梁載荷承受較小，對材料的強度要求較低而韌性要求較高，中強高韌鈦合金TC4-DT較為合適[1]。為充分發(fā)揮材料性能、提高結構可靠性，使用線性摩擦焊實現TC4-DT和TC21異質材料連接是理想的部件制備方式。

對于上述異質材料的連接可采用線性摩擦焊來進行，該工藝利用兩被焊工件接觸面在壓力作用下相對往復運動摩擦產生熱量，從而實現焊件的固態(tài)連接[5-9]。線性摩擦焊目前廣泛應用于鎳基高溫合金、鋼以及鈦合金的連接[10-12]。眾多文獻研究表明，摩擦焊接頭對熱處理較為敏感，合適的熱處理制度可以改善接頭組織、提升接頭力學性能。Dorick等[13]研究了焊后退火處理對TC17線性摩擦焊接頭的影響，他們發(fā)現焊后退火處理能夠使各個區(qū)域的微觀組織均勻化。Damodaram等[14]對718合金摩擦焊接頭進行固溶時效處理后發(fā)現樣品表現出較好的斷裂性能，這是由焊后熱處理使得晶粒組織均質化、適度粗化以及強化沉淀物強的均勻分布所導致的。Tao等[15]對TC4/TC17異種鈦合金線性摩擦焊接頭進行焊后熱處理，發(fā)現熱處理可通過粗化組織來增加接頭的斷裂韌性。Chen等[16]研究了熱處理對Ti2AlNb合金線性摩擦焊接頭組織和性能的影響，發(fā)現熱處理過程中O相的析出可以顯著改善接頭力學性能。

綜上所述，熱處理對線性摩擦焊接頭有重要影響。對于TC4-DT/TC21異質鈦合金接頭，由于兩種母材合金在成分、組織、相變點上都有較大差異，為兼顧接頭及兩側母材的性能，需要制定合適的熱處理制度。本文在充分調研TC4-DT及TC21合金基本性能及熱處理影響的基礎上，擬對焊后接頭采用一次退火和雙重退火工藝，對比不同退火制度對接頭微觀組織的影響，為線性摩擦焊接的翼肋研制提供熱處理工藝指導。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

本試驗中所采用的材料為國內自主研制的中強度高損傷容限性鈦合金TC4-DT （Rm≥825MPa、KIC≥90MPa·m1/2）及高強度高損傷容限性鈦合金TC21 （Rm≥1100MPa、KIC≥70MPa·m1/2），這兩類鈦合金的化學成分組成分別見表1、表2。

圖1為兩種母材的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，從圖1（a）可以看出，經過區(qū)域β退火處理的TC4-DT鈦合金為魏氏組織形態(tài)，即粗大的β晶粒內部分布著不同位向α相“叢域”，在同一“α叢域”內有很多近似平行的細小片狀α相，此外還可以看到晶界α相（αGB）較為明顯；TC21經過固溶時效后，獲得網籃狀組織，即棒狀的初生α相（αp）互相交錯并以網籃狀的形態(tài)分布在β基體上，同時在這些初生α相之間無序的分布著呈針狀的次生α相（αs），如圖1（b）所示。

1.2試驗方法

試件尺寸為試樣尺寸為75mm×80mm×20mm，焊接面面積為75mm×20mm，線性摩擦焊試驗是在中國航空制造技術研究院自行研制的15t線性摩擦焊機上進行，線性摩擦焊過程及取樣示意圖如圖2所示。焊接完成以后，去除接頭邊緣的飛邊，在接頭中心位置垂直于往復運動平面縱向切割得到尺寸為20mm×20mm×10mm的試樣（見圖2）。之后對試樣進行一次退火和雙重退火處理，熱處理制度見表3。

對于熱處理前以及熱處理后的樣品，用砂紙和Krolls試劑（0.5% HF+1.5% HNO3+2% HCl+96% H2O）對試樣進行研磨、拋光和腐蝕。之后分別利用OLYMPUS-PMG3光學顯微鏡（OM）和TESCAN MIRA3 XMU掃描電子顯微鏡對熱處理前后的接頭不同區(qū)域進行觀察和分析。之后，對接頭進行室溫拉伸和沖擊性能測試，以確定焊后熱處理對接頭性能的影響。

2試驗結果與分析

2.1宏觀組織特征

TC4-DT/TC21經過線性摩擦焊及熱處理后所獲得接頭的宏觀形貌接近，因此本節(jié)主要介紹焊后所獲得接頭的宏觀形貌。如圖3所示，在焊縫附近沒有出現微裂紋或夾雜物等缺陷，且隨著與焊縫距離的增大接頭可分為三類區(qū)域：焊縫中心區(qū)（WCZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）以及母材區(qū)（BM）。

對于焊縫中心區(qū)，該區(qū)域緊靠焊縫兩側，組織細節(jié)特征在50倍下幾乎觀察不到，這主要是因為超細晶的存在。在焊接過程中該區(qū)域溫度高（T>Tβ）、應變大[17]，β相發(fā)生了較為劇烈的動態(tài)再結晶，并以極其細小的狀態(tài)保留到室溫[18]；對于熱力影響區(qū)，可以看到β晶粒及α晶粒沿振蕩方向拉長，形成典型的流線組織。這是因為在此區(qū)域的材料在焊接過程中沿著振蕩方向發(fā)生劇烈的塑性變形和流動；對于母材區(qū)，該區(qū)域的組織較于焊前幾乎沒有發(fā)生任何變化。

2.2微觀組織特征

圖4為熱處理前后焊縫中心區(qū)的SEM照片。如圖4（a）所示，在TC4-DT側，呈細長針狀的α相以網籃狀交錯分布，且?guī)缀跤^察不到β相的存在；TC21側出現較為細小的等軸β晶粒，較于TC4-DT側，該區(qū)域的針狀α相更為細小，此外，在TC21側的β晶粒間分布連續(xù)的晶界α相（αGB）。如此特征的組織可能導致接頭強度升高但韌性下降，對其進行熱處理將改善其性能。

焊縫中心區(qū)經過700℃一次退火后的組織如圖4（b）所示，可以看出，經過一次退火后TC4-DT側的針狀α相雖然仍保持著網籃狀特征，但發(fā)生了粗化，這一組織變化特征會顯著增加接頭處的強度及裂紋擴展阻力。而在TC21側，組織狀態(tài)沒有發(fā)生明顯的變化，即在細小的β晶粒內部雜亂的分布著大量的細小針狀α相，同時晶界α相仍保持著較為連續(xù)的狀態(tài)。

經過雙重退火處理后焊縫中心區(qū)的組織特征如圖4（c）所示，可以看到，經過雙重退火后，該區(qū)域的組織特征發(fā)生了明顯的變化。在TC4-DT側片狀α相進一步粗化并開始呈現短棒狀特征，還可以注意到部分短棒狀α在長大過程中互相交截使得被交截的α相長度變短；在TC21側，β晶粒尺寸增加，以至于在整個視野范圍內觀察不到完整的晶粒。同樣的，β晶粒內部的針狀α相也開始長大、粗化，初步分析是因為在高溫下合金元素的短程擴散速度加快導致的。上述組織變化都能夠有效提升焊接接頭阻礙裂紋擴展的能力。應當指出，原本在晶界連續(xù)分布的晶界α開始呈現不連續(xù)狀態(tài)，這種不連續(xù)的晶界α相也能夠有效地提升該區(qū)域的性能。

熱力影響區(qū)微觀組織的SEM照片如圖5所示，該區(qū)域溫度基本處于相變點以下，在正應力以及切應力作用下晶粒沿振蕩方向拉長，只有部分區(qū)域發(fā)生再結晶。如圖5（a）所示，TC4-DT側晶粒內部的片層α相以波紋狀沿振蕩方向分布；TC21側（見圖5（d）），最明顯的特征同樣是沿振蕩方向分布的初生α相，但可以注意到在這些初生α相之間分布著許多被剪切且細化為針狀的α相。

經過700℃一次退火后TC4-DT和TC21側的熱力影響區(qū)的顯微組織如圖5（b）、圖5（e）所示。TC4-DT側的組織沒有發(fā)生太大變化，但在TC21側，波紋狀的初生α相寬度增加、長度變短出現粗化的趨勢。這是因為接頭內儲存能高，球狀相界面能小于層片狀相界面能，熱處理促進片狀α相向球狀α相轉變，但是分布在片狀α相之間的針狀α相沒有發(fā)生變化。

雙重退火后，焊縫兩側熱力影響區(qū)都發(fā)生明顯變化。如圖5（c）所示對于TC4-DT側熱力影響區(qū)，盡管初生α相仍保持波紋狀但其片層間距明顯增加，且在這些片層α相之間分布著許多次生α相，這主要是因為在雙重退火過程中加熱溫度高、元素擴散速度快，促進了片層α相的長大，并在之后的時效過程中析出次生α相。TC4-DT側熱力影響區(qū)如圖5（f）所示，首先可以注意到原本呈波紋狀的α相的變形程度減小，這是因為發(fā)生了回復過程。其次，在這些初生α相附近出現許多竹葉狀的長大的次生α相，這些組織特征變化同樣會增加接頭的強度以及裂紋擴展阻力。

對于母材區(qū)，該區(qū)域的組織經過700℃的一次退火后片層α相開始有所粗化，但粗化特征不是很明顯，同時在β相中沒有觀察到較為明顯的次生相析出；經過雙重退火以后，TC4-DT和TC21側的片層α相都進一步粗化。進一步可以看出，在TC4-DT側片層α相之間的β相中析出大量針狀次生α相（見圖6（c））。如圖6（f）所示，片層α相的棱角已經消失，且殘余β相中析出更多細小的次生α相。這些細小的針狀α相有利于增加該區(qū)域的強度，但會相應的降低該區(qū)域的塑性。

2.3力學性能

TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭的拉伸、沖擊試驗結果見表4。由表4可見，經過雙重退火后接頭的強度比一次退火處理后提高近100MPa，這說明經過雙重退火中在各個區(qū)域析出的次生α相強化效果大于組織粗化所造成的弱化效果；雙重退火后接頭的沖擊韌性較于一次退火提高了近三倍，這是因為粗化的片層α相以及不連續(xù)的晶界α的存在增加了沖擊裂紋擴展阻力，進而顯著提升接頭的沖擊性能；此外，還可以看到，相比于一次退火，經過雙重退后接頭的斷后伸長率略有降低，但斷面收縮率有所升高，說明雙重退火制度在顯著增加接頭強度的同時，仍保持著較好的塑性。綜上所述，雙重退火后得到接頭的強度和韌性有了較大的提升，并且塑性仍保持著較高的塑性。

3結論

通過以上試驗分析，可以得出以下結論：

（1）TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭根據組織特征分為母材區(qū)、熱力影響區(qū)和焊縫中心區(qū)。WCZ內存在細小的β晶粒以及大量針狀α相；TMAZ內β晶粒及α晶粒沿振動方向被拉長形成流線組織；母材區(qū)組織特征仍保持焊前的狀態(tài)。

（2）與一次退火相比，經雙重退火后的接頭組織發(fā)生較為明顯的變化：WCZ內再結晶晶粒長大、片層α相粗化且晶界α相呈現不連續(xù)狀態(tài)；TMAZ內片狀α相因發(fā)生回復變形程度減小且片層間距增加，在這些粗化的片層α相周圍析出許多長大的次生α相。BM內片層α相明顯粗化且次生相析出。

（3）TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭雙重退火獲得的綜合力學性能明顯優(yōu)于一次退火處理。較于一次退火，經過雙重退火后接頭的強度和沖擊韌性都顯著增加，且塑形仍保持著較高的水平。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of TC4-DT/TC21 Titanium Alloy Linear Friction Welded Joints

Gao Pan1，2，Zeng Weidong1，2，Zhang Chuanchen3，Xu Jianwei1，2

1. Defense Technologies Innovation Center of Precision Forging and Ring Rolling，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，China

2. Shaanxi Key Laboratory of High-Performance Precision Forming Technology and Equipment，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，China

3. Aviation Technology Key Laboratory of Aviation Welding and Joining Technology，AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 100024，China

Abstract： In order to further improve the comprehensive mechanical properties of TC4-DT/TC21 linear friction welded joints， the effects of simple annealing and duplex annealing on the microstructure and mechanical properties of welded joints were compared and analyzed. The results show that after simple annealing， the microstructure characteristics of each zone are less different from those before annealing. Namely the weld center zone is composed of fine recrystallized grains and needle-likeαphases， and the thermo-mechanical affected zone presents a streamlined structure elongated in the direction of oscillation. However， after the duplex annealing， the joint structure changes significantly， and weld center zone appears grain growth， lamellarαphase coarsening， and grain boundaryαphase discontinuity. In the thermo-mechanical affected zone， theαlayer is coarsened and the interlaminar spacing increases. At the same time， many long and short rod-likeαphases are precipitated around the coarsened lamellar alpha phase. In the base material zone， the lamellarαphase is coarsened and secondary phases are precipitated. Comparison of mechanical properties shows that duplex annealing is significantly better than simple annealing， in which the strength and impact energy are increased by 91MPa and 24.4J respectively， the plasticity remains at a relatively high level.

Key Words： linear friction welding； post-weld heat treatment； titanium alloy； duplex annealing； mechanical properties