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）( 二 ) 航天

表3 不同DTWs具有不同MOEQs值的FZ硬度
4.2.1DTWs中的微观结构演变
DTWs中焊缝微观结构演变涉及的许多影响因素包括焊接参数、光束偏移条件以及母材中α和β稳定剂的数量及其初始微观结构。对于大多数钛合金焊接件，由于在凝固过程中经历了快速冷却， FZ由针状针状α相和马氏体α相组成（图5）。焊接工艺及其参数对DTW的FZ和HAZ显微组织有重要影响。通过焊接过程的加热部分，当熔化过程中超过β转变温度时， α相完全转变为β相。
然而，在随后的冷却过程中，只有当温度梯度高于410℃?1时， β向α的转变才无扩散(完全马氏体) 。
图5 电子束焊接TA15/Ti55DTWs的FZ显微组织——接头b针状α区、c马氏体α'区概述
冷却速度取决于焊接过程加热阶段的峰值温度以及焊接加热和后加热阶段的保护气体流量。在焊接过程中，加热的峰值温度取决于相关热源的功率密度。如图3所示，因为激光和电子束中放大光的密集热源以及预期的高冷却速， LBW和EBW具有比TIG和FSW工艺更高的功率密度。
然而， EBW中没有保护气体会降低冷却效果， FZ中很难实现完全的马氏体相变，尤其是钛合金，因为它们的导热性较低，耐热性增强。这可以在图5中观察到，其中TA15/Ti55 DTW EB焊接件的FZ中存在针状α和马氏体α' 。在LBW中，最佳焊接参数的组合可能导致完全的马氏体相变，并且可以在图6c中Ti-6-4/SP-700 DTW的CO2激光焊接FZ中观察到。
图6 Ti-6-4/SP-700 CO2激光焊接的不同区域显微组织， a为接收态Ti-6-4 b为接收态SP-700 c为 FZ d为FZPWHT为704℃ 。
DTWs FZ中马氏体相变的程度也取决于两种合金中β稳定剂的数量。 β稳定元素数量的增加增加了对马氏体转变的抵抗力，并导致马氏体起始温度（Ms）的降低。由于焊接过程中FZ的峰值温度较高，与相邻HAZ相比，相应的温度梯度也非常高。由于这个原因，与热影响区相比，高温区的马氏体相变程度非常显著，热影响区的温度略高于β透射温度，从而在一定程度上导致相变和微观结构演变。
4.2.2时效和焊后热处理（PWHT）
另一个重要方面是异种焊接接头对时效硬化的响应，这也是MoEQ的强大功能。具有高MoEQ的焊接接头具有较高的保留β含量，因此在PWHT期间经历相对较多的硬化。另一方面， AlEQ的增加和MoEQ的降低降低了保留的β ，从而导致异种钛合金焊接态FZ中形成更粗的晶粒，从而提高了的冲击韧性。
图7显示了具有不同MOEQ量的许多DTW的显微硬度随焊后热处理温度的变化。可以观察到，随着焊后热处理温度增加到480°C ， FZ的显微硬度增加。这归因于FZ中α（针状马氏体和针状α）含量的增加，由于热处理程序，导致更致密和细化的沉淀。为了进一步理解这种现象，考虑Ti-6 4/Ti-6—6-2 DTWS（39）的FZ的TEM显微照片（图8），其中对α-集落进行了焊接和热处理（480°C）的样品。
图7 PWHT温度对不同焊缝Ti-6-4/Ti-15-3、Ti-6-4/Ti-6-6-2、Ti-6-4/SP700中FZ显微硬度的影响
在焊态条件下， α板条之间的区域仅由β相组成（图8a），而对于480°C下的PHWT ，在图8b中可以看出，存在纤维状α+β结构，其导致硬度增加。在Ti-6-4/Ti-15-3 DTW的焊态熔合区中未观察到α板条之间的α+β层间形态（图8c）。焊后热处理温度升高超过480°C导致Ti-6-4/Ti-15-3[41
、Ti-6-4/Ti-6-6-2、Ti-6-4/SP700 DTW的FZ硬度降低，如图7所示。这是因为在DTWs的FZ中，血小板α的形成和晶界处厚α层的生长。
图8 Ti-6-4/Ti-6-6-2DTWs a在480°C下焊后热处理时的FZ TEM图像和Ti-6-4/Ti-15-3 DTWs在焊后热处理时的FZ TEM图像

此外，可以在图7中观察到，在Ti-6-4/Ti-15-3的DTW中，与Ti-6-4/Ti-6-2（从室温下的380 HV到483°C下的412 HV）或Ti-6-4/SP700相比，高达427°C的焊后热处理导致显微硬度的最大增加（从室温下的289 HV到427°C下的近483HV）（从室温下的398 HV到478°C下的约437 HV）这是因为如图9所示， Ti-15-3母材中的MoEQ约为13.8 。从图7和图10中可以进一步看出，显微硬度和NTS值对PWHT的敏感性随着DTWs中任何合金MoEQ的降低而降低，就像Ti-6-6-4/Ti-6-4焊缝的情况一样。
图9 a Ti-6-4/Ti-15–3、b Ti-6-4/Ti-6-6-2和cTi-6-4/SP700三种不同类型焊缝的AlEQ和MoEQ变化规律
图10和图7的比较表明，焊后热处理对显微硬度的影响与对NTS值的影响相反。焊后热处理温度升高至近483°C导致所有异种焊接件的维氏硬度增加， NTS值降低。焊后热处理温度进一步升高超过500°C会降低维氏硬度并增加NTS值。这种行为可归因于DTW中FZ显微硬度的增加导致缺口脆性的增加