摘要:

采用普通退火、去應力退火、雙重退火3種焊后熱處理工藝對TC18鈦合金電子束焊接接頭進行焊后熱處理，分別檢測母材、接頭的拉伸、沖擊等力學性能。試驗結果表明，采用雙重熱處理工藝的TC18母材與電子束焊接接頭，具有較好的抗拉強度、屈服強度、沖擊韌度。

一、前言

TC18是高合金化的α＋β相鈦合金，退火狀態下的組織中具有數量大致相等的α相和β相，是退火狀態下強度最高的鈦合金之一。特別適用于制造飛機機身框、梁、起落架結構，是飛機特殊承力部件的優選結構材料。

通常這些特殊承力部件采用較為先進的電子束焊接技術進行連接，但是電子束焊接同樣是一個復雜的熱物理化學冶金過程，會造成焊接接頭部位材料組織和力學組織性能的不均勻性。

為充分發揮TC18鈦合金電子束焊接結構件的潛在優越性，需要對電子束焊接接頭進行焊后處理。已有的研究表明，焊后熱處理會對焊接接頭的力學性能產生顯著影響。

本文將分別采用3種焊后熱處理工藝對TC18電子束焊接接頭進行處理，檢測其拉伸力學性能、沖擊韌度、疲勞壽命，對比分析不同熱處理工藝對TC18電子束焊接接頭力學性能的影響，這對大規模生產選擇能夠提高TC18電子束焊接接頭力學性能的焊后熱處理工藝提供借鑒參考。

二、試驗材料及試驗方法

2.1  試驗材料

TC18鈦合金是一種新型材料，其成分為Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe，本試驗中TC18鈦合金供貨狀態為雙重退火處理。從模鍛件上線切割切取200mm×200mm×20mm的焊接試板，進行表面加工，使焊接部位的粗糙度Ra=3．2μm。

2.2   焊接工藝及焊后熱處理工藝

試板采用機械打磨的方式去除表面氧化膜，焊前用酒精或丙酮擦洗待焊接部位。本試驗采用ZD150－15A型高壓電子束焊焊機，電子束焊焊接工藝參數見表1。

焊后，根據HB5484—1991標準，采用X射線探傷檢測焊縫內部質量，所有焊縫均達到Ⅰ級焊縫標準。選擇多個焊接試樣，分別采用普通退火、去應力退火、雙重退火熱處理工藝進行焊后熱處理。

所選擇的普通退火工藝：750℃，保溫2h，爐冷至350℃，空冷；去應力退火：650℃，保溫4h，空冷；雙重退火：熱處理工藝為835℃，保溫2h，爐冷至750℃，保溫2h，空冷＋600～630℃，保溫4h，空冷。對經過不同熱處理的焊接接頭，測試母材及接頭的拉伸和沖擊性能，對獲得的數據進行比較分析，優選出合理的焊后熱處理工藝，再用該焊后熱處理工藝處理一批焊縫，然后進行疲勞性能研究。

2.3  力學性能試樣制備

經過熱處理的焊縫，根據需要檢測的力學性能，分別采用不同標準，截取力學性能檢測試樣。所有試樣取樣位置如圖1所示，焊縫位于試板中間。

根據GB/T228—2002取拉伸試樣并試驗；根據GB/T229—2002標準，截取V形缺口標準試樣并進行試驗；根據HB5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》，加工疲勞試樣，整個試驗在QBG－100高頻疲勞試驗機上進行，試驗條件見表2。

三、 試驗結果及分析

3.1  TC18鈦合金接頭拉伸力學性能 

對經過不同熱處理工藝的TC18電子束焊焊縫，檢測其拉伸力學性能，表3為TC18鈦合金母材及電子束焊接接頭經過不同熱處理工藝后的拉伸力學性能數據。

從表3中的數據可以看出，在經過普通退火和去應力退火后，焊接接頭的抗拉強度和屈服強度均略低于母材的，斷面收縮率和斷后伸長率均與母材的相近。雙重熱處理后，焊接接頭的抗拉強度和屈服強度均高于母材的，斷面收縮率和斷后伸長率均小于母材的。

3.2  TC18鈦合金接頭沖擊韌性

表4為TC18鈦合金母材及電子束焊焊接接頭經過不同熱處理后的沖擊性能數據。從表4中可以看出，經雙重退火后，母材和焊接接頭的沖擊韌度均較好，且焊接接頭的沖擊韌度高于母材的。

通過對TC18鈦合金3種熱處理制度下的拉伸與沖擊性能的試驗數據比較和分析，可以看出采用焊后雙重退火處理工藝可以保證TC18鈦合金電子束焊焊接接頭具有較好的綜合性能。

3.3  TC18接頭疲勞性能及掃描斷口分析

對Kt＝1的光滑試樣進行應力比為0．1的拉－拉疲勞試驗。用成組法測定其S－N曲線，采用升降法測定經107周次后的疲勞極限。經過計算得出，經過1000萬次循環試驗后，TC18鈦合金電子束焊接接頭的疲勞強度為490MPa。

表5為TC18鈦合金電子束焊接接頭疲勞性能數據。TC18鈦合金電子束焊焊接接頭疲勞試驗中，在高應力下，分散性較小，低應力下，有一定的分散性。經過1000萬次循環試驗后，TC18鈦合金電子束焊焊接接頭的疲勞強度為490MPa。圖2是根據試驗數據繪制的S－N曲線。

由圖3可以看出，源區位于距試棒表面約0．5mm的內部，點源，源區有約準50μm的小球體，該球體有清晰晶界；起源后向四周擴展，有清晰疲勞擴展棱線，顯微觀察擴展區有明顯疲勞條帶；瞬斷區約占斷口的1/6，為韌窩特征。裂紋的擴展區有明顯的疲勞條紋，疲勞條紋細密，晶界對疲勞裂紋的擴展起重要作用。

四   結語

（1）與普通退火和去應力退火的焊后熱處理工藝相比，雙重退火的熱處理工藝可使TC18鈦合金電子束焊焊接接頭的力學性能得到較大提高。

（2）焊后經過雙重退火熱處理的TC18鈦合金電子束焊焊接接頭，在高應力下，疲勞壽命分散性較小；低應力下，有一定的分散性。經過1000萬次循環試驗后，該接頭的疲勞強度為490MPa。