李　博,沈以赴,胡偉葉

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上?！?00333；2.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京　211100；3.中國航天科工南京晨光集團(tuán)工藝所，江蘇南京　210012)

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TC4鈦合金攪拌摩擦焊微觀組織特征及影響

李博1,沈以赴2,胡偉葉3

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200333；2.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211100；3.中國航天科工南京晨光集團(tuán)工藝所，江蘇南京210012)

摘要：采用攪拌摩擦焊技術(shù)在保護(hù)氣氛下對單塊TC4鈦合金板材施焊,并獲得良好成形。重點(diǎn)研究了攪拌區(qū)α+β雙相微觀組織演變機(jī)制及不同工藝參數(shù)對組織硬度的影響。結(jié)果表明,在經(jīng)優(yōu)化后的工藝參數(shù)條件下,攪拌區(qū)組織經(jīng)歷了α/β相變,最終形成基于β相區(qū)的α+β雙態(tài)組織,攪拌頭行走過后冷卻析出的層片狀α相沿β相區(qū)界面及內(nèi)部分布,α相及β相晶粒細(xì)化明顯,α/β層片間距的縮小可增強(qiáng)α+β復(fù)相強(qiáng)化效應(yīng),提高攪拌區(qū)硬度。攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高增加了β相區(qū)的長大傾向,行進(jìn)速度的提高降低了α相比例,并可生成針狀馬氏體。

關(guān)鍵詞：有色金屬及其合金；鈦合金；攪拌摩擦焊；雙態(tài)組織；顯微硬度

E-mail：libo@ssei.cn

李博,沈以赴,胡偉葉.TC4鈦合金攪拌摩擦焊微觀組織特征及影響[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(1):20-25.

LI Bo, SHEN Yifu, HU Weiye.Microstructural characteristics and effects of TC4 titanium alloy processed by using friction stir welding[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(1):20-25.

鈦合金在比強(qiáng)度、抗疲勞性能、耐蝕性、生物相容性等方面均具有顯著優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、艦艇、化工等制造領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。TC4作為工業(yè)應(yīng)用比例最高的中強(qiáng)度雙相鈦合金，其連接技術(shù)的不斷改進(jìn)，一直以來都是先進(jìn)制造和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。近年來，固態(tài)攪拌摩擦焊(FSW)成功應(yīng)用于鋁、鎂、鋼等金屬材料的技術(shù)優(yōu)勢，極大地促進(jìn)了該技術(shù)面向鈦合金的研究進(jìn)展[2]。

目前，已有的對TC4鈦合金FSW的研究報(bào)道大多集中在攪拌焊具的設(shè)計(jì)、焊接工藝窗口的建立與優(yōu)化、接頭組織性能的分析、溫度場與流場的計(jì)算模擬等方面。1)在組織演變機(jī)理方面：美國俄亥俄州立大學(xué)PILCHAK等[3]認(rèn)為，廣泛適用于鋁、鎂合金FSW細(xì)晶化的非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DDRX)機(jī)制并不同樣適用于雙相鈦合金，TC4鈦合金FSW峰值溫度超過900 ℃，特別指出，焊后細(xì)晶 β相并非源自動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，而是由于攪拌頭高速剪切變形所導(dǎo)致β相晶粒的滑移和扭轉(zhuǎn)，并能獲得更加穩(wěn)定的晶界取向；而中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉會(huì)杰等[4]認(rèn)為，主導(dǎo)形成機(jī)制仍然是依靠反復(fù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，并使焊核區(qū)硬度降低；西安建筑科技大學(xué)的王快社等[5]認(rèn)為，根據(jù)不同的工藝條件，TC4焊核區(qū)也可不發(fā)生相變，而是通過攪拌發(fā)生塑性大變形，并在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生高密度位錯(cuò)及其他晶格缺陷，使亞穩(wěn)相得到細(xì)化，隨后時(shí)效析出高度彌散分布的析出相。2)在TC4鈦合金FSW工藝條件與組織性能關(guān)系的研究方面：ZHOU等[6-7]研究了工藝參數(shù)對TC4合金FSW組織的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的提高，攪拌區(qū)初生α相會(huì)不斷粗大，而轉(zhuǎn)變β相的片層寬度卻在不斷減小，由于攪拌區(qū)的溫度超過了β相變溫度，故攪拌區(qū)最終呈現(xiàn)為α+β網(wǎng)籃組織；ZHANG等[8-9]研究表明，隨著旋轉(zhuǎn)速度提高，TC4焊核區(qū)晶粒尺寸不斷增大，α晶粒及β晶粒均發(fā)生長大；DAVIES等[10]采用固定軸肩設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了TC4的FSW連接，研究了接頭組織、機(jī)械性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，焊接速度對熱影響區(qū)的組織基本沒有影響，而焊核區(qū)組織受行進(jìn)速度的影響較大；EDWARDS等[11]對TC4合金FSW攪拌區(qū)的峰值溫度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對攪拌區(qū)峰值溫度影響較大，而焊接速度僅影響焊縫在高溫下的作用時(shí)間，較高的旋轉(zhuǎn)速度使攪拌區(qū)峰值溫度超過了1 200 ℃；當(dāng)采用較小的工藝參數(shù)時(shí)，攪拌區(qū)峰值溫度在厚度方向上存在較大的溫度差，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為150 r/min、焊接速度為100 mm/min時(shí)，板厚方向上的峰值溫度相差約200 ℃。

因此，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可以認(rèn)為，現(xiàn)有針對TC4合金FSW微觀組織演變的研究結(jié)論體系并不完備，也存在一定爭議，亟需繼續(xù)展開深入研究。本文重點(diǎn)討論了在α/β相變線以上的高溫?cái)嚢枘Σ磷饔孟耇C4組織演變機(jī)制及影響，以期為鈦合金FSW的工業(yè)應(yīng)用提供理論支撐。

1試驗(yàn)方法

母材選用3 mm厚TC4(Ti-6Al-4V合金)板材，組織為軋制后去應(yīng)力退火態(tài)。試驗(yàn)裝置如圖1所示，采用改裝FSW設(shè)備及自制氣氛保護(hù)裝置在單塊板上施焊，以重點(diǎn)研究攪拌區(qū)組織演變和不同工藝參數(shù)對組織性能的影響等基本問題；保護(hù)氣體為高純氬氣(純度≥99.9%)，通氣流量由氣閥控制，工藝試驗(yàn)前經(jīng)由進(jìn)氣口對保護(hù)氣箱預(yù)通氣5 min，使箱內(nèi)空氣由低位的出氣孔排出；攪拌頭為WC-Co(Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%)陶瓷基硬質(zhì)合金，軸肩直徑為15 mm，攪拌針為圓臺狀，長為2.2 mm，頂端面直徑為4 mm，根部直徑為6 mm。

圖1　工藝試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of process test device

經(jīng)工藝優(yōu)化試驗(yàn)，F(xiàn)SW參數(shù)的選取范圍：攪拌頭轉(zhuǎn)速n=350~650 r/min；行進(jìn)速度v=60~210 mm/min；前傾角0°。焊后垂直于焊縫方向取樣，并將試樣研磨、拋光、腐蝕。用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)等設(shè)備對組織及物相進(jìn)行分析，借助顯微維氏硬度計(jì)檢測試樣硬度。

2試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1　典型結(jié)構(gòu)分析

圖2a)為在350r/min，60mm/min工藝參數(shù)下TC4合金FSW表面形貌，呈鈦金屬光澤，存在典型的表面環(huán)紋結(jié)構(gòu)。但在較低的攪拌頭行進(jìn)速度條件下，焊縫表面的后退側(cè)會(huì)出現(xiàn)環(huán)紋堆疊現(xiàn)象形成“冠狀結(jié)構(gòu)”。這是由于在高溫塑性狀態(tài)下，行進(jìn)中的攪拌頭軸肩所擠出的多層黏性的鈦材，會(huì)在行進(jìn)攪拌頭的后方迅速冷卻而使黏度急劇增加，無法完全遷移或流動(dòng)至前進(jìn)側(cè)即產(chǎn)生堆疊；適當(dāng)增加行進(jìn)速度可減少單位行進(jìn)距離內(nèi)的環(huán)紋堆疊，提高表面環(huán)紋的均勻程度。圖2b)為FSW橫截面結(jié)構(gòu)，呈碗狀，這與鋁合金FSW不同的是，典型“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)在TC4焊核區(qū)(stirnuggetzone，SNZ)，晶粒明顯細(xì)化的SNZ與相鄰母材的過渡區(qū)極窄，鈦較差的導(dǎo)熱性導(dǎo)致了熱影響區(qū)(heataffectedzone，HAZ)窄化，且與相鄰熱-機(jī)械影響區(qū)(thermal-mechanicallyaffectedzone，TMAZ)的區(qū)分不明顯。由于攪拌針在前進(jìn)側(cè)過渡區(qū)引起的形變程度比后退側(cè)略大，故前者過渡區(qū)的“界線”更明顯(見圖2c)，圖2d))。

圖2　TC4鈦合金FSW典型結(jié)構(gòu)及區(qū)域組織Fig.2　　Typical structures and regional microstructures of TC4 titanium alloy produced via FSW

2.2　工藝參數(shù)對攪拌區(qū)微觀組織的影響

退火態(tài)的母材微觀組織呈α+β雙相等軸組織，β晶粒多沿等軸α晶粒的晶界彌散分布，α相平均晶粒尺寸在10~20μm之間(圖3)。試驗(yàn)在優(yōu)選參數(shù)條件下所獲得的焊后攪拌區(qū)(即SNZ)均呈α+β雙態(tài)組織，析出的細(xì)片狀α相分布于大量的β相的晶間和晶內(nèi),從而形成特殊的β相區(qū)結(jié)構(gòu)。這說明FSW過程經(jīng)歷了α/β相變，焊接峰值溫度應(yīng)已超過了β相變線，并在焊后冷卻過程中部分β相再次轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵渌孪鄤t來不及完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣料喽槐Ａ舻绞覝貭顟B(tài)。

圖3　焊前母材顯微組織SEMFig.3　SEM of parent material microstructure

在350r/min，90mm/min參數(shù)下，攪拌區(qū)β相區(qū)的平均尺寸小于10μm，而片狀α相的層片寬度在1μm以下，相比于母材等軸α相晶粒而言，焊后獲得細(xì)層片狀α相，減小了α/β層片間距(見圖4a))。轉(zhuǎn)速的提高則會(huì)略增加β相區(qū)尺寸(見圖4b))，這是由于攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加可顯著提高攪拌頭與被焊材料的摩擦產(chǎn)熱，為加工高溫階段(β相變線以上)β晶粒的長大提供更充分的熱力學(xué)條件。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，在保證焊縫成形的前提下大幅提高攪拌頭行進(jìn)速度，不僅顯著抑制了焊后冷卻階段的β→α轉(zhuǎn)變，使α相在快速冷卻的條件下來不及充分析出，而且在β相區(qū)內(nèi)部還生成了針狀馬氏體α′相(見圖5)。

圖4　攪拌頭行進(jìn)速度不變條件下的焊核區(qū)微觀組織SEMFig.4　SEM of the weld zone microstructures under the same traveling speed condition

圖5　攪拌頭大行進(jìn)速度條件下焊核區(qū)微觀組織SEMFig.5　SEM of the weld zone microstructures under the higher traveling speed condition

XRD表明(圖6)，與母材組織相比，攪拌區(qū)β相比例明顯提高，210mm/min焊速下XRD的α相衍射峰發(fā)生寬化并向低角度偏移，這是由于馬氏體相的存在，使晶格體積發(fā)生膨脹造成的。

圖6　焊核區(qū)XRD結(jié)果及物相組成Fig.6　XRD results and phase structure of the weld zone

圖7　焊核區(qū)水平方向橫截面顯微硬度分布Fig.7　Microhardness distribution along horizontal direction of the weld zone transverse section

2.3　攪拌區(qū)組織強(qiáng)化機(jī)制

圖7給出了不同工藝參數(shù)條件下TC4合金SNZ顯微硬度的分布特征。在350r/min，90mm/min工藝條件下SNZ的平均顯微硬度(HV0.2)約為360kgf/mm2，明顯高于母材。轉(zhuǎn)速的提高增加了β相區(qū)的粗化程度，而β相晶粒為體心立方結(jié)構(gòu)，其硬度低于密排六方的α相，且轉(zhuǎn)速的提高降低了β相區(qū)內(nèi)的析出α相比例，減弱了雙相鈦合金α+β復(fù)相強(qiáng)化效果，因此SNZ平均硬度有所下降。提高攪拌頭行進(jìn)速度可增加焊后冷卻速率，從而不能為片狀α相在β相區(qū)界面及其內(nèi)部的析出提供充足的時(shí)間，顯著降低了SNZ內(nèi)α相比例，但是，由于快速冷卻導(dǎo)致細(xì)針狀馬氏體的產(chǎn)生，馬氏體α′相的晶格體積膨脹在一定程度上增加了β相區(qū)的內(nèi)應(yīng)力，因此也產(chǎn)生了一定的強(qiáng)化效果。需要說明的是，鈦合金馬氏體不同于碳鋼中的馬氏體，前者并不會(huì)對鈦基體產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化。

TC4鈦合金攪拌區(qū)組織強(qiáng)化的機(jī)制主要在于以下2個(gè)方面。1)焊后的晶粒細(xì)化效應(yīng)，F(xiàn)SW高溫加工區(qū)間(β相變線以上)已經(jīng)完全發(fā)生轉(zhuǎn)變的β相晶粒可在攪拌頭機(jī)械攪拌作用下發(fā)生細(xì)化。其細(xì)化機(jī)制應(yīng)是β相晶粒的反復(fù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，所形成的新生β相完全不同于焊前母材，且焊后冷卻過程中沿β相區(qū)界面及其內(nèi)部析出的片狀α相，細(xì)化的片狀α相阻礙了β相界面的遷移，并在β相區(qū)內(nèi)部按照一定的晶體學(xué)取向分布[12]，有效阻滯了β相區(qū)的長大和粗化。這種組織形成所引起的晶界及亞晶界密度的增加使位錯(cuò)發(fā)生更多的纏繞，是細(xì)晶強(qiáng)化的直接原因。2)焊后所形成的α+β雙態(tài)組織產(chǎn)生復(fù)相強(qiáng)化效果，特別是在β相區(qū)內(nèi)形成的α/β層片相互交織的微觀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過細(xì)化的片狀α相可大大縮短α/β相層片間距，有效增加α/β相界密度，使得在外加應(yīng)力狀態(tài)下α/β雙相相互阻礙制約，增加α相和β相發(fā)生相對位移所需要的應(yīng)力，從而產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。

上述晶粒細(xì)化機(jī)制和α+β復(fù)相強(qiáng)化機(jī)制相輔相成：α，β晶粒的細(xì)化有利于增加α/β相界面密度，從而進(jìn)一步促使了復(fù)相強(qiáng)化效應(yīng)的發(fā)揮；冷卻過程中，α在β相區(qū)的不同特征位置、或沿β相區(qū)不同特征取向的析出，還可增加繼續(xù)析出α相的形核位置，進(jìn)而縮短α/β相層片間距，更有利于晶界、亞晶界密度和相界密度的雙重提高。

2.4　攪拌區(qū)微觀組織演變機(jī)制

本試驗(yàn)所獲得的TC4攪拌區(qū)組織均經(jīng)歷了α/β相變過程，TC4攪拌區(qū)的雙相微觀組織演變機(jī)制可由圖8進(jìn)行說明。如圖8所示，在FSW加工峰值溫度達(dá)到β相變線之前，母材等軸α相晶粒及其晶間β相均會(huì)在攪拌頭的高溫?cái)嚢枨袘?yīng)力作用下發(fā)生塑性變形，鈦合金的高溫塑性變形抗力要顯著小于室溫狀態(tài)，F(xiàn)SW的產(chǎn)熱機(jī)制為晶粒變形提供了熱力學(xué)保證；當(dāng)FSW加工峰值溫度超過β相變線，初始α相晶粒則會(huì)發(fā)生α→β轉(zhuǎn)變，并可在攪拌頭高速攪拌和剪切力的作用下，經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程后，生成完全不同于母材β相的新生β相晶粒；當(dāng)攪拌頭離開后，攪拌區(qū)晶粒停止動(dòng)態(tài)再結(jié)晶并進(jìn)入冷卻階段，發(fā)生β→α+β轉(zhuǎn)變，新生α相首先沿β相界面形核，并在β晶界和晶內(nèi)析出；析出層片狀α相的尺寸和相比例與FSW冷卻速率直接相關(guān)，冷卻慢則有相對多的析出時(shí)間，而過大的冷卻速率可降低在β相區(qū)內(nèi)的α相比例，并細(xì)化α相；當(dāng)冷卻速度足夠大時(shí)，則會(huì)在β相區(qū)內(nèi)生成針狀馬氏體α′相。

圖8　焊核區(qū)α/β雙相微觀組織演變示意圖Fig.8　Schematic diagram of the weld zone α/β dual-phase microstructural evolution via FSW

3結(jié)論

1)TC4鈦合金在優(yōu)化的FSW工藝條件下，攪拌區(qū)可發(fā)生完全的α/β相變，最終形成基于β相區(qū)的α+β雙態(tài)組織，焊后析出的層片狀和針狀α相沿β相區(qū)界面及其內(nèi)部分布，β相區(qū)平均尺寸小于10μm。

2)改變工藝參數(shù)可調(diào)控SNZ內(nèi)α/β相比例、β相區(qū)及層片α相的晶粒尺寸。FSW可細(xì)化α+β雙相鈦晶粒，攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加產(chǎn)生更多熱量，會(huì)引起攪拌區(qū)β相區(qū)的長大，但析出的層片α相不僅可阻礙β相區(qū)的粗化，而且可產(chǎn)生顯著的α+β復(fù)相強(qiáng)化效應(yīng)；行進(jìn)速度大幅提升可增加焊后的冷卻速率，降低析出α相比例，減小α相尺寸，還可生成針狀馬氏體α′相。

3)在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，TC4鈦合金FSW攪拌區(qū)的平均硬度(HV0.2)達(dá)360kgf/mm2，顯著高于母材，SNZ強(qiáng)化機(jī)制主要是焊后細(xì)晶強(qiáng)化和α+β復(fù)相強(qiáng)化。

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Microstructural characteristics and effects of TC4 titanium alloy processed by using friction stir welding

LI Bo1, SHEN Yifu2, HU Weiye3

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai 200333, China; 2. College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, Jiangsu 211100, China; 3. Technology Research Institute of Nanjing Chenguang Corporation, China Aerospace Science and Technology Corporation, Nanjing, Jiangsu 210012, China)

Abstract:Friction stir welding technique is used for the processing of TC4 titanium alloy under protective atmosphere, and it results with good formability. The research focues on the evolution mechanisms of α+β dual phase microstructure in stirred zone and the effects of processing parameters on structures hardness. The results show that with optimized technological parameters, stir zone structure experiences the α/β transformation, and finally changes to the α+β duplex structure which is based on the β phase. After mixing head leaves and the structure cools, the precipitated lamellar α phase is among and/or within-regions. Grain refining of α+β dual phase is obvious. The shortened α/β lamellar spacing distance may improve the strengthening effect of the α+β duplex phase and enhance the hardness of the stir zone. The increasing of the tool rotation speed could coarsen β-regions, while the increasing of the travel speed could help reduce the α phase ratio and generate needle-type Martensites.

Keywords:nonferrous metals and their alloys; titanium alloy; friction stir welding; dual phase microstructure; micro-hardness

作者簡介：李博(1986—)，男，河南鄭州人，博士，主要從事先進(jìn)焊接技術(shù)、特種設(shè)備制造與安全方面的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51505293，51475232)；中國博士后科學(xué)基金(2015M580342)

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-19；責(zé)任編輯：王海云

中圖分類號：TG453

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01004

文章編號：1008-1542(2016)01-0020-06