航天|研究新进展：焊接工艺对异种钛合金焊接件性能的影响（下）航天

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江苏激光联盟导读：
钛合金在工业上的应用越来越广泛，焊接钛合金的方法不断更新迭代。本文探讨了一种焊接钛合金的新趋势与新进展。本文为第二部分。

4．钛合金的异种焊接
异种钛合金焊接需求的不断增加，促使许多研究人员对各种应用中不同焊接工艺对异种接头性能的影响进行了研究。对这些研究的回顾表明，对不同钛合金焊接不同组合性能的研究对航空航天应用最有利。
双激光实验装置
4.1异种钛合金焊接件（DTW）的应用
在工业中，主要关注的问题之一是通过使用高效材料来减少环境影响并提高组件性能。其中一个例子是开发集成式发动机。将高温钛合金（如Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si系列）与相对低成本、中温和高强度的钛合金连接在一起。 TA15合金与BTi-6431S的焊接，可用于使用飞机发动机的关键部件。另一个潜在应用是具有高动态负载的压缩机，其中需要连接叶片和磁盘等部件，并暴露在可变温度下。在这种情况下，暴露在高温和低工作应力下的叶片需要具有良好蠕变抗力和断裂韧性的钛合金，如Ti–22Al–25Nb 。同样，由于高工作应力（例如TA15合金），圆盘材料应具有良好的延展性和低周疲劳性能。 Ti17和Ti–6Al–4V合金的异种焊接也被报道用于具有低温断裂韧性（Ti17的一个属性）和轻质特性（Ti–6Al–4V）的混合结构中。
在航空航天应用中，另一种可能用于与Ti–6Al–4V焊接的钛合金是Ti–22Al–25Nb合金。由于有序的正交相，该合金具有较高的断裂韧性、比强度和室温延展性。 Froend等人报告了异种cpTi/Ti-6-4焊接接头在飞机工业中的应用。他们指出，大多数航空航天钛合金具有高强度和低成形性，因此在飞机外皮材料中使用它们具有挑战性。因此，使用cpTi/Ti-6-4复合结构，其中cpTi用于外皮材料，而高强度Ti-6-4合金用作纵梁材料（图4）。
图4 激光焊接t接头在cpTi表面和Ti-6Al-4V纵梁材料b之间Ti–6Al–4V界面区域的高倍显微图
在所有上述研究中，可以观察到，不同钛合金之间DTW接头的合成性能取决于许多因素，如化学成分、物理和机械性能等。例如，自生焊缝的抗拉强度可能高于收到的钛合金。类似地，在表2所示的其他趋势中，焊接接头强度与低强度合金相当，甚至可以比高强度合金更高。然而，这种趋势不能概括，因为基于合金化学， DTW接头的强度可能低于两种基础合金。第4.2节讨论了影响这些趋势的潜在因素。
表2 异种钛合金的焊接研究
【航天|研究新进展：焊接工艺对异种钛合金焊接件性能的影响（下）】
4.2 DTAW中的问题和解决方法
由于材料性能的不兼容性，任何金属组合的异种焊接都会导致一些固有问题。在DTAW中，许多研究人员观察到了焊接区软化的问题。例如，在Ti–22Al–25Nb/TC11接头的电子束焊接中，观察到由于软B2相的形成，热影响区的显微硬度降低，冲击韧性降低。在Ti-22Al-25Nb/TA15的激光焊接、Ti-22Al-25Nb/TA15的TIG-激光混合焊接、Ti-6Al-4V/Ti-4.5A1-3V-2Fe-2Mo的CO2激光焊接、BTi-6431S/TA15的激光焊接、Ti-6-4/beta-C的激光焊接以及Ti–15V–3Cr–3Al–3Sn/Ti–6Al–4V的激光焊接和Ti55/TA15的电子束焊接中也观察到了类似的行为。
熔合区（FZ）软化与以不同组合焊接的钛合金的MoEQ有关。纯钛是一种α合金，由于α相结构完整，强度降低，但耐腐蚀性良好。在纯钛中添加合金会导致AlEQ（稳定α相的元素）和MoEQ（稳定β相的元素）的值发生变化。不同合金元素转化为Mo和Al当量的换算公式如下：
MoEQ值较高的合金组合焊件在焊态（AW）条件下表现出较高的显微硬度。例如，在表3中，一些合金组合以及MOEQ和相应的FZ显微硬度在焊态条件下给出。可以看出，对于异种钛合金接头，如果任何合金的MoEQ较高，则产生的FZ硬度可达到400HV ，并且有利于在FZ中形成马氏体。这表明，显微硬度以及由此产生的异种接头的机械性能是MoEQ值的强大函数，可以通过改变合金成分在特定应用中进行控制。