稀土元素对钛合金激光焊接头组织及性能的影响

引言

钛合金凭借自身优异的轻量化、高强度及耐腐蚀性等特点，成为航空航天领域广泛使用的结构材料[1-3]。尤其是钛合金的焊接／超塑性成形技术能够制造空心轻量化结构，具有重要的应用潜力[4]。TC4钛合金激光焊接接头成形良好，强度高于母材，但因为焊缝由粗大的原始β晶粒内的网篮状马氏体组织构成，所以其接头塑性较差[5]。在常温拉伸变形过程中，TC4钛合金母材的延伸率通常在10％~15％，而焊缝基本不发生塑性变形；在高温超塑性变形过程中，焊缝的超塑性变形能力低于母材[6-8]，从而限制了激光焊／超塑性成形技术的实际应用。因此，调控焊缝组织、提高接头的常温及高温塑性，可提高焊接件的加工性能，进一步推动TC4钛合金的推广应用。添加稀土元素是调控合金组织性能的一种可行方法，一般来说稀土元素以单质、氧化物或金属间化合物形态出现在合金组织中，起到净化、改性和微合金化作用[9-13]。与其他稀土元素相比，稀土元素Yb有着更为独特的原子核外电子排列方式，这也使得Yb元素的调控作用在铝、镁合金中有着更多的应用和研究[14]。研究表明，稀土元素Yb能够在不同的铝、镁合金中生成不同的金属间化合物，这些细小化合物的析出起到了对位错的钉扎阻碍作用，进而限制合金的动态再结晶行为，达到了细化晶粒的作用，对合金的塑型和强度有着较大提升[15-17]。目前，稀土元素对钛合金焊接接头组织及性能的影响还未见相应研究报道。本工作在TC4钛合金激光焊缝中添加不同含量的Yb₂O₃，并观察其接头组织特征，测试其接头常温及高温力学性能，为钛合金激光焊／超塑性成形技术的应用提供理论参考。

1、实验
母材选用长×宽×高为60mm×40mm×2mm的热轧退火态TC4钛合金板，室温拉伸延伸率为11％。采用激光铺粉焊接，预置粉末为Yb₂O₃和TC4粉末充分球磨后的混合粉末，粉末粒径均为15～50μm。Yb₂O₃在焊前混粉中所占质量比例（文中如无特别说明均为质量分数）分别为0％、2％、4％、6％、8％、10％，采用对接焊方式，图1ａ为铺粉焊接示意图。实验设备采用IPG公司生产的YLS-4000光纤激光器，激光波长为1.07μm，激光功率为1.9kW，焊接速度为2.1m/min。室温拉伸采用型号为ＷＤＷ200Ｄ微机控制电子万能试验机，以1mm／ｍｉｎ的拉伸速率检测接头抗拉强度，室温拉伸试样尺寸如图1ｂ所示。高温拉伸采用ＣＭＴ4104微机控制电子试验机，高温拉伸参数为变形温度900℃、初始应变速率2×10^-3s^-1，高温拉伸试样尺寸如图1ｃ所示采用扫描电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）、能谱仪（Ｅｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＥＤＳ）和Ｘ射线衍射仪（Ｘｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ，ＸＲＤ）分析接头的界面物相组成和结构。

2、结果与讨论
2.1　稀土元素对TC4钛合金激光焊接头组织的影响

图2为不同Yb₂O₃含量时TC4钛合金激光焊接头金相组织。

从图2ａ未添加Yb₂O₃的接头组织中可知，焊缝区由粗大原始β柱状晶组成，β晶粒内部由有序排列的针状马氏体α′组成，进而形成网篮组织。图2ｂ中未发现明显的第二相，焊缝组织依旧由原始β柱状晶组成，但添加Yb₂O₃之后，原始β柱状晶的长度和宽度同时出现了明显的减小现象，这表明Yb₂O₃的添加能够使激光填粉焊钛合金焊缝原始β晶粒产生细化现象图3为Yb₂O₃对焊缝宽度及β晶粒尺寸的影响。由图3可知，未添加Yb₂O₃的焊缝β晶粒大小为420μm，焊缝宽度为0.94mm。添加稀土后，焊缝晶粒尺寸及焊缝宽度随着土含量增加而不断减小；当Yb₂O₃含量为6％时，Yb₂O₃对焊缝晶粒尺寸及焊缝中心宽度影响最为显著，晶粒尺寸最小为308μm，此时焊缝中心宽度也达到最小值，为0.73mm。相较于未添加Yb₂O₃焊缝，β晶粒尺寸减小26.67％，焊缝中心宽度减小22.3％。这是因为随着Yb₂O₃含量的增加，熔池中异质形核点也会增加，降低了临界形核功，增加了焊缝晶粒的形核率。激光焊缝中心宽度主要取决于熔池的表面张力，稀土元素作为活性元素能够有效降低液态熔池的表面张力并减小其表面能，使得焊缝中心宽度变窄。但当Yb₂O₃的含量达到8％后，晶粒尺寸及焊缝中心宽度又逐渐变大，在Yb₂O₃的含量为10％时，焊缝晶粒尺寸为336μm，焊缝中心宽度为0.96mm。这是因为随着焊缝中稀土氧化物的增加，容易聚集形成大的夹渣物，导致形核点减少的同时亦降低液态熔池的流动性，对晶粒的细化及焊缝中心宽度产生不利影响。

图4为添加6％Yb₂O₃后焊缝β晶内网篮组织，其中图4ａ为网篮组织的能谱面扫描，可以看到，焊缝为针状α′马氏体构成的网篮组织，但是在网篮组织中存在微小的白点。经过ＥＤＳ扫描表明，网篮组织内存在Ｏ、Ｙｂ元素，判断其为Yb₂O₃颗粒。结合图4ｂ的ＸＲＤ图，同样表明焊缝网篮组织内存在Yb₂O₃，表明图4ａ中白色相为在β晶粒内部的Yb₂O₃。Yb₂O₃的加入一方面会降低大部分的马氏体长度，这是因为Yb₂O₃的加入会降低β晶粒尺寸，而马氏体的生长不能突破β晶粒的晶界；另一方面会导致马氏体生长排列杂乱，这是因为稀土Yb作为活性元素，会促使熔池的向下流动更加剧烈，从而导致马氏体生长排列杂乱。当马氏体生长受到限制时，晶粒内部元素更容易进行元素扩散，导致网篮组织的形成秩序受到了影响，这降低了焊缝的强、硬度而使其更容易发生变形，即塑性提高。

2.2　稀土元素对TC4钛合金激光焊接头性能的影响

2.2.1　室温力学性能

表1为Yb₂O₃含量对接头室温力学性能的影响，由表可知，当Yb₂O₃含量低于6％时，拉伸试样都断裂于母材，说明接头强度高于母材，抗拉强度高于1100Mpa。当Yb₂O₃含量达到8％时，接头抗拉强度降低到910Mpa，断裂发生在熔合区附近的焊缝，这是因为Yb₂O₃含量过高，容易在焊缝中聚集成脆性，同时加剧了焊缝与热影响区的组织性能差异，导致试件在熔合附近的焊缝处断裂。当Yb₂O₃含量继续升高到10％时，焊缝的脆性更强，强度只有869Mpa，过多的稀土氧化物造成了焊缝夹渣，引起了焊缝的应力集中现象。焊接裂纹伴随着脆性氧化物开始萌生，接头性能急剧恶化，反而降低了接头的抗拉强度和塑性，断裂位置出现在焊缝处。

图5为Yb₂O₃含量对焊缝伸长率的影响。因为试样多数断裂于母材，所以用伸长率来表征焊缝的塑性。由图5可知，随着Yb₂O₃含量的增加，焊缝的伸长率呈先增大后减小的变化趋势。未添加稀土元素时，焊缝伸长率为3.7％，这是因为焊缝晶粒粗大，马氏体长而有序，因此强度、硬度较高，在试样进行拉伸时，焊缝塑性较低，变形程度有限。加入稀土后，焊缝晶粒得到了细化，马氏体长度减小，排列秩序降低，塑性增加。当Yb₂O₃含量为2％时，延伸率提高至4.2％。随着Yb₂O₃含量继续增加至6％时，焊缝伸长率达最高，为6.8％，此时焊缝塑性最好，稀土元素的作用达到最大，这也表明添加适量的Yb₂O₃可有效提高焊缝的塑性。而当Yb₂O₃含量继续增加至8％时，稀土氧化物的脆性发挥作用，反而低焊缝强度和塑性，此时塑性降低明显，延伸率下降至5.1％。当Yb₂O₃含量为10％时，焊缝伸长率为4.5％，接头塑性进一步降低，这是因为过多的稀土氧化物造成了焊缝夹渣，引起了焊缝的应力集中现象，最终导致裂纹的萌生，接头性能恶化。因此掺加含量6％以下的稀土氧化物有利于提高焊缝的塑性，增加焊缝延伸率。为了更充分展现Yb₂O₃对接头断裂行为的影响，对断裂于焊缝位置的试样进行断口分析（见图6），对图6ａ中红色框选部分进行放大，得到如图6ｂ所示的焊缝断口形貌局部放大图，从图6ｂ中可发现直径约10μm的白色相夹杂在断口处，能谱点扫描结果显示，该白色相为焊缝中形成的Ｍ相。这表明当Yb₂O₃含量过高时，焊缝中聚集形成的不规则块状Ｍ相会造成焊缝夹渣等不良后果，极有可能在载荷作用下引起焊缝内部的应力集中现象，进而成为裂纹的萌生源，这成为焊缝性能下降的重要内因。

2.2.2　高温力学性能

图7为接头纵向试样高温拉伸宏观断裂图片，图中白色试样为高温拉伸前纵向接头试样，白色是涂敷Ti-5高温防氧化玻璃涂料导致，其在高温下会在试样表面熔化形成一层致密的玻璃涂层，有效缓解高温拉伸过程中试样的氧化。由图7可知，接头在高温拉伸过程中变形均匀，未有明显颈缩断裂，这也保证了纵向接头试样在超塑变形过程中能获得较大的断后延伸率。图8为变形温度为920℃、应变速率为1×10^-3ｓ^-1条件下6％Yb₂O₃含量纵向接头试样应力应变曲线，由图可知，该曲线形状接近非典型的动态再结晶曲线。随着高温拉伸的进行，试样流变应力增速减缓并逐渐达到峰值，达峰值后便出现缓慢下降的趋势，最终导致塑性失稳，这是典型的超塑性变形特征。图9为变形温度为920℃、应变速率为1×10^-3ｓ^-1件下Yb₂O₃含量对焊缝高温试样超塑性能的影响。由图9可知，当焊缝中未添加Yb₂O₃时，纵向焊缝高温试样接头的流变应力为15.5Mpa，试样延伸率达到了320％，说明TC4钛合金激光焊焊缝具有一定的超塑变形能力。随着Yb₂O₃含量的增加，流变应力先减小后增大，延伸率先增大后减小。Yb₂O₃含量为6％时，对焊缝高温超塑性能影响最为显著，此时试样的峰值流变应力最小，为11.9Mpa，试样延伸率达到最大值，为382％，相对于未添加Yb₂O₃的焊接试样，峰值流变应力减小了25％，试样延伸率增加了19％。这是因为Yb₂O₃的加入能够有效降低焊缝晶粒的尺寸，使得粗大的原始β晶粒破碎，而随着晶粒的细化，单位体积内晶界总面积增加，晶界的滑动趋势增加，最终导致纵向焊缝高温试样延伸率增加。此外，随着位错在晶界附近塞积导致晶格强烈扭动的区域增加，晶界提供了较多的动态再结晶形核场所，有效促进了动态再结晶的发生，进而降低了纵向焊缝高温试的高温变形抗力，其峰值流变应力也降低。随着Yb₂O₃含量的进一步增加，试样峰值流变应力开始不断增加，延伸率也降低。当Yb₂O₃的含量为10％时，纵向焊缝高温试样峰值流变应力为14.6Mpa，试样延伸率为308％，分别比未添加时降低了4.4％和3.8％，试样的塑性变形能力开始恶化。这是因为当Yb₂O₃的含量过高时，这些氧化物夹杂开始趋向于在位错和晶界处聚集，阻碍晶界及位错的运动的同时对元素的扩散起到不利影响，显著提高再结晶温度，高温变形抗力增加，塑性降低。

3、结论

（1）Yb₂O₃的加入能够在减小焊缝中心宽度的同时为β晶粒提供异质形核点，细化β晶粒尺寸。随着Yb₂O₃含量的增加，焊缝晶粒尺寸及焊缝宽度呈先减小后增大的变化趋势，当Yb₂O₃含量为6％时，晶粒尺寸最小，为308μm，焊缝中心宽度也达到最小值，为0.73mm。

（2）Yb₂O₃的加入提高TC4钛合金激光焊接头室温塑性。随着Yb₂O₃含量升高，接头伸长率先升高后降低，未添加稀土元素时，焊缝伸长率为3.7％，当Yb₂O₃含量为6％时伸长率最大，为6.8％，是原始焊缝伸长率的近2倍。

（3）Yb₂O₃的加入能够提高焊缝的超塑性变形能力。随着Yb₂O₃含量的升高，焊缝纵向超塑性变形延伸率先增大后减小，峰值流动应力先减小后增大。当Yb₂O₃含量在6％时，峰值流变应力最低，为11.9Mpa，延伸率最高，为382％。

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