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TiAl金属间化合物电子束焊接接头组织及防裂纹工艺研究

陈国庆  
【摘要】: 本文对板厚2.5mm的TiAl/TiAl、TiAl/TC4电子束焊接进行了研究。TiAl金属间化合物电子束焊接性较差,焊后接头极易产生冷裂纹。目前,国内外有关裂纹产生的机理和如何有效防止裂纹产生的报道较少。为此,本文在综合分析接头组织演变规律的基础上,结合焊接热循环中热致应力的分布特征,提出了一种TiAl电子束复合控制焊接方法,最终获得了TiAl/TiAl、TiAl/TC4电子束焊宏观无裂纹接头。 TiAl电子束焊接头极易产生宏观冷裂纹,其原因主要包括接头组织的脆化和热致应力两个致裂因素。首先分析了接头组织对裂纹产生的影响,快速冷却抑制了α(α2)相分解,转变产物以α2相为主,这种单一的脆硬相结构显著地降低了接头塑韧性,成为接头易产生冷裂纹的组织因素。接头抗拉强度普遍不高,拉伸断裂发生在焊缝及热影响区,为脆性穿晶断裂。计算了TiAl电子束焊接接头形成第一道裂纹的冷却时间和温度,该温度定义了有利于接头组织充分转变的高温区间下限。由此可间接评价冷裂纹产生的敏感性,并作为复合控制焊接方法的主要理论基础。 TiAl/TC4电子束焊接接头冷裂纹仅产生在TiAl一侧。由于两种母材化学成分和热物理参数存在差别,焊缝Al原子含量相对较低,接头强度较TiAl/TiAl有所提高。根据这些特点采用偏Ti进行侧偏焊,侧偏量hs值在一定范围内增大时接头抗拉强度有所提高。计算了侧偏量与两侧母材熔化量比值之间的关系。分析了同为Ti-Al系金属间化合物的Ti3Al和TiAl电子束焊接性差别的原因。 电子束焊接特有的快速加热和冷却过程使接头形成较大的热致应力,这是造成接头易产生裂纹的力学因素。TiAl/TiAl沿焊缝方向均为残余拉应力,在焊道中部达到较高水平,所以冷裂纹均为垂直于焊缝分布。TiAl/TC4接头沿焊缝方向三向应力均为残余拉应力,且幅值均较高。此外,因为两种母材材料参数存在差别,板厚方向表现出较高的残余拉应力。当开裂处拉应力达到最大值590MPa时接头还处在高温塑性状态,可通过自身塑性变形释放一部分应力,因此接头冷裂纹在非最大应力作用下产生。由于室温时接头中仍有153MPa的残余拉应力,加载时叠加到外加载荷上,从而使接头在低应力下拉伸断裂。 根据上述研究结果,本文提出一种TiAl金属间化合物电子束无裂纹复合控制焊接方法。其步骤及作用包括:采用添加隔热垫板、焊前逐级预热和随焊热处理的方式调控焊接热循环曲线,增加接头在高温区间的停留时间以改善组织;改变待焊试件的夹持方式以减小拘束,缓解和释放热致应力。采用该方法最终成功获得了板厚2.5mm的TiAl/TiAl、TiAl/TC4电子束焊接无裂纹接头。对比了常规焊接方式和复合控制焊接方式所获接头组织在相含量、晶粒尺寸和组织类型等方面的不同,采用X射线衍射技术测定了复合控制焊接方法接头的残余应力场分布特征,从定量分析方面论证了这种方法的可行性。 采用电子束复合控制焊接方法除了获得平板对接无裂纹接头之外。还对Ti-43Al-9V-0.3Y、Ti-45Al-5Nb-0.3Y等不同金属间化合物、不同壁厚的管材进行了环焊缝连接,说明该方法具有工实际应用意义。


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