引言

新型Ti-3Al-2Mo-2Zr(TA24)合金是在工業(yè)純鈦基礎(chǔ)上添加2.0%～3.5%鋁、1.0～3.0%鋯、1.0%～2.5%鉬等合金元素，形成α為基，含有少量β相的近α合金。元素鋁和中性元素鋯在鈦中以置換固溶體形式存在，鉬除固溶于α相之外，余量與鈦形成少量β相［1］，通過合金元素固溶強(qiáng)化和少量β第二相強(qiáng)化，形成室溫和高溫強(qiáng)度高、韌塑性好、低溫高溫性能優(yōu)異，且具有良好加工性能的中等強(qiáng)度鈦合金，是近年開發(fā)用于海洋工程的潛在高性能材料。

鉬、鋯等耐蝕合金元素加入，在大幅提高鈦合金強(qiáng)度同時(shí)，使新型鈦合金具有優(yōu)良耐縫隙、應(yīng)力和抗磨損腐蝕能力，成為具有較強(qiáng)潛力的化工、氯堿等耐蝕高溫場合應(yīng)用結(jié)構(gòu)材料。新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金開發(fā)成功以來，材料供應(yīng)商對從合金鍛造、軋制、鑄造工藝及組織性能等方面開展了深入研究，形成鍛件、板材、管材、棒材等型材［2］，并配套相應(yīng)焊接材料。隨著我國近年走向深藍(lán)海洋工程推進(jìn)，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金作為焊接結(jié)構(gòu)件及容器用材料開始推廣應(yīng)用，但由于前期應(yīng)用較少，材料加工、焊接及熱處理總結(jié)公開可借鑒資料極少。借鑒工業(yè)純鈦焊接工藝對其GTAW焊接工藝進(jìn)行了初步探討，在焊后熱處理方面未見綜合性技術(shù)研究的報(bào)道。筆者在研究純鈦及相關(guān)鈦合金焊接性［3］基礎(chǔ)上，對新型鈦合金焊接及熱處理性能進(jìn)行探究。以進(jìn)一步了解新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接性特點(diǎn)，提出合理焊后熱處理工藝參數(shù)，完善新型Ti-3Al-2Mo-2Zr中等強(qiáng)度鈦合金成型加工工藝技術(shù)，為推動(dòng)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1、試驗(yàn)

1.1材料

新型鈦合金Ti-3Al-2Mo-2Zr板材，牌號TA24，商業(yè)牌號Ti－75，退火態(tài)［2］，規(guī)格400mm×125mm×17mm，數(shù)量6組;配套焊絲牌號Ti-75A，焊絲直徑2.0、3.0mm，低雜質(zhì)稍低合金元素含量。試驗(yàn)?zāi)覆暮秃附z化學(xué)成分見表1，母材力學(xué)性能見表2。

焊接氣體及電極:保護(hù)氣體為99.99%氬氣，符合GB/T4842《氬》要求，氬氣露點(diǎn)不低于－50℃，電極為鈰鎢極，型號WCe-2.0，直徑為3.0mm。

1.2高溫拉伸試驗(yàn)

選用與焊接試板母材同批號新型Ti-3Al-2Mo-2Zr板材分別制備6組棒狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在550、600、650、700、750、800℃等溫度下分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試件編號按溫度從低到高依次為1^-1～1^-6。

1.3焊接及焊后熱處理試驗(yàn)

1)試驗(yàn)方案

制備焊接試板，無損檢測(包括外觀檢測VT、著色檢測PT、射線檢測ＲT)合格后，按不同熱處理參數(shù)分別進(jìn)行焊后熱處理［4］，制備拉伸、彎曲、沖擊、硬度和微觀金相試樣進(jìn)行試驗(yàn)，具體方案見表3。

2)焊接試件制備

試件采用單面V型坡口，如圖1所示。焊接前檢查焊接環(huán)境、焊接設(shè)備、保護(hù)系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài);嚴(yán)格清理焊件、焊接材料，試板組對預(yù)留10°～15°反變形，兩端增加同材質(zhì)等厚剛性固定板，氬弧焊點(diǎn)固;采用多層多道焊，焊道層次如圖1所示，焊接過程中對焊接試件300℃以上高溫區(qū)域進(jìn)行合理惰性氣體保護(hù)［5－6］，具體焊接參數(shù)見表4。

3)檢測和試驗(yàn)

完成焊接試件接頭無損檢測合格后，對編號2－2～2－6試板按規(guī)定熱處理參數(shù)分別進(jìn)行焊后熱處理，隨后將2－1～2－6號試板分別制備力學(xué)性能(拉伸、彎曲、硬度)及金相分析試樣，并進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1無損檢測

1)跟蹤試件焊接過程，檢查試件焊縫表面外觀，結(jié)果表明層道間保護(hù)良好，表面銀白色，焊后試板變形角度小于1°，焊道光滑美觀;2)按NB/T47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測第5部分:滲透檢測》進(jìn)行著色檢測，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)缺陷，I級合格;3)按NB/T47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分:射線檢測》進(jìn)行全部射線檢測，技術(shù)等級為AB級，像質(zhì)計(jì)為像質(zhì)計(jì)6Ti12，檢測結(jié)果評定均為I級片。

跟蹤檢查試件焊接過程及完成接頭表面，焊道及試件接頭表面均為銀白色，當(dāng)試件焊縫厚度達(dá)到10mm以上時(shí)，尾保護(hù)采用小罩保護(hù)、背保護(hù)取消，控制層道間溫度，焊道保持銀白色狀態(tài)，表明新型鈦合金焊接過程散熱條件好;試件焊接采用單面焊背面封底，采用反變形和強(qiáng)制固定防變形，配合多層多道焊，強(qiáng)制固定條件下，焊道及焊縫未出現(xiàn)開口缺陷，表明焊縫金屬具有較好抗裂性;試件焊縫著色和射線檢測，表面和內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，接頭質(zhì)量優(yōu)異，表明采用氬弧焊焊接TA24，保護(hù)和防污染措施符合要求的情況下，焊接接頭具有良好塑韌性和冶金焊接性，不會出現(xiàn)間隙元素污染及氣孔等問題。

2.2力學(xué)性能

1)高溫力學(xué)性能

合金Ti-3Al-2Mo-2Zr高溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5，典型高溫曲線如圖2所示。

由表5結(jié)果看，隨試驗(yàn)溫度提高，強(qiáng)度呈下降趨勢，高于650℃時(shí)，強(qiáng)度下降明顯，750℃與800℃時(shí)屈服強(qiáng)度變化不大，延性降低;斷面收縮率和延伸率在低于650℃時(shí)較為穩(wěn)定，在700℃時(shí)顯著提高。根據(jù)焊后高溫加熱屈服蠕變消應(yīng)力機(jī)理，屈服強(qiáng)度降低和延伸率提高將有利于焊接應(yīng)力促進(jìn)金屬實(shí)現(xiàn)屈服蠕變，保障焊后消除應(yīng)力熱處理順利有效實(shí)施，因此650～750℃焊后消應(yīng)力熱處理的效果更好。

圖2為幾種典型溫度拉伸力值F－變形L曲線，縱軸為力值F，橫軸為變形量L。從拉伸力值—變形曲線看，650℃時(shí)，Ti-3Al-2Mo-2Zr合金高溫拉伸時(shí)仍保持了一個(gè)穩(wěn)定持久的高強(qiáng)抗拉性能，當(dāng)700℃時(shí)高強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間顯著縮短，有利于金屬在焊接應(yīng)力作用下實(shí)現(xiàn)快速蠕變屈服，確保焊后消應(yīng)力效果。

2)焊后熱處理接頭性能

參照J(rèn)B/T4745—2002《鈦制焊接容器》機(jī)加工制備新型鈦合金焊接接頭標(biāo)準(zhǔn)板狀拉伸試樣、側(cè)彎試樣、10mm×10mm×55mm焊縫V型缺口沖擊試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從拉伸試驗(yàn)結(jié)果看，新型鈦合金焊接接頭拉伸試樣均以塑性斷裂形式斷于焊縫。焊接狀態(tài)下焊縫與母材等強(qiáng)，隨著熱處理溫度提高，焊接接頭抗拉強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢，800℃，1h熱處理后，接頭抗拉強(qiáng)度仍達(dá)到母材的85%，高于母材最低抗拉強(qiáng)度要求，說明本焊接工藝條件下，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭未出粗大組織造成性能變化，經(jīng)過低于相變的加熱過程后，合金和焊接接頭依然具有較高強(qiáng)度。說明材料及焊接接頭具有較好耐熱性能。

參照J(rèn)B/T4745—2002《鈦制焊接容器》制備新型鈦合金彎曲試樣，按α=90°，D=10s彎曲參數(shù)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，各組側(cè)彎試樣拉伸面沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)開口缺陷，有個(gè)別試樣出現(xiàn)開口，但小于3mm;新型Ti-3Al-2Mo-2Zr鈦合金0℃V型缺口沖擊值在60～80J變化，熱影響區(qū)稍有降低，沖擊吸收功隨熱處理溫度的變化不明顯，表明新型鈦合金在焊接和不同溫度焊后熱處理后均表現(xiàn)良好的塑性和韌性。

2.3硬度及微觀金相組織

2.3.1硬度檢測

對所有焊接及熱處理試件制備金相試樣，進(jìn)行微觀金相分析和HV10硬度檢測(檢測方法按圖3)，檢測結(jié)果見表7。

對表7結(jié)果分析來看，焊縫硬度低于母材，熱影響區(qū)硬度高于母材，隨焊后熱處理溫度提高，焊接接頭各區(qū)域的硬度有稍許降低;試驗(yàn)2－1和2－6焊縫、熱影響區(qū)硬度高低差異較大，其余試驗(yàn)接頭各區(qū)硬度差異較小，且較均勻;表明焊接狀態(tài)和800℃高溫焊后熱處理接頭，存在焊接應(yīng)力或明顯組織不均勻性，在550～750℃焊后熱處理，隨溫度提高，焊接應(yīng)力降低，組織均勻性改善，接頭硬度差異減小，表明焊后熱處理對新型鈦合金焊接應(yīng)力變化和焊縫局部抗變形能力有一定作用。

由于填充金屬選用了低合金化、低雜質(zhì)焊接材料，焊縫合金含量低，焊接時(shí)多層多道焊后焊道對前層焊道熱處理作用，造成焊縫硬度低于母材;熱影響區(qū)由于焊接多次加熱快冷造成組織不均勻和脆硬組織出現(xiàn)，硬度有所提高。

2.3.2微觀金相檢測

對新型鈦合金焊接及熱處理試件的微觀金相試樣進(jìn)行分析，典型溫度焊接接頭微觀組織檢測結(jié)果見圖4～6。

由圖4～6可見，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭，母材顯微組織由塊狀、大量片狀α相及少量β相組成，塊狀和片狀α相孿晶生長，層狀分布;熱影響區(qū)塊狀、片狀和針狀α存在，未發(fā)現(xiàn)明顯粗大組織;焊縫組織為大量大片狀α和少量β組織，組織大小差異很大。隨焊后熱處理溫度提高，母材塊狀α減少，片狀α增多，熱影響區(qū)塊狀α減少，片狀和針狀α稍微長大，焊縫組織不均勻性更加明顯［7－8］。

新型鈦合金焊接接頭主要由片狀或針狀、少量塊狀α和β相組成，鋁、鋯置換固溶于α鈦，少量β第二相存在，形成大量片狀或針狀α且孿晶生長，保證材料及焊接接頭具有較高強(qiáng)度;隨焊后熱處理溫度提高，置換固溶體的高溫組織穩(wěn)定性使新型合金組織穩(wěn)定性提高，高溫加熱后片狀或針狀α稍微有所長大，硬度和強(qiáng)度稍有下降，但依然能保持較高強(qiáng)度。大片狀α和少量β相微觀組織焊縫，熱影響區(qū)針狀α組織存在，使焊縫硬度較低，熱影響區(qū)硬度較高，這與焊接過程中焊縫、熱影響區(qū)受熱過程不同有關(guān)。

3、結(jié)論

根據(jù)對新型Ti-3Al-2Mo-2Zr鈦合金試驗(yàn)過程及結(jié)果分析，可以看出:

1)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金采用鎢極氬弧焊焊接，選用低合金低雜質(zhì)配套焊絲，在上述焊接工藝措施條件下，焊接過程穩(wěn)定，接頭質(zhì)量優(yōu)異，具有良好冶金焊接性。

2)隨試驗(yàn)溫度升高，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金強(qiáng)度呈下降趨勢，高于650℃后，強(qiáng)度顯著下降，700℃左右塑性顯著提高，根據(jù)焊后熱處理機(jī)理，新型合金熱處理應(yīng)在650～750℃進(jìn)行焊后熱處理，有利于保證焊后熱處理的效果。

3)在設(shè)定的焊接試驗(yàn)條件下，新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭，焊態(tài)可達(dá)到與母材等強(qiáng)，在低于相變溫度下進(jìn)行焊后熱處理后，接頭均保持極高強(qiáng)度，高于母材最小抗拉強(qiáng)度要求，表明其具有良好耐高溫性能。

4)新型Ti-3Al-2Mo-2Zr合金焊接接頭高強(qiáng)度及良好綜合性能與合金元素形成的置換固溶及少量β第二相的穩(wěn)定存在有關(guān)，置換固溶體和少量第二相的存在，保持了片狀或針狀α大量存在且孿晶生長，受熱影響組織變化較小，使材料和焊接接頭保持了高強(qiáng)度和和耐熱性，且具有良好的塑韌性和致密性;由于含有鉬和鋯，具有與TA10相當(dāng)?shù)哪臀g性，是一種在耐蝕行業(yè)同樣具有潛在使用價(jià)值高性能耐蝕耐熱鈦合金。

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