文章编号：1004-0609(2013)S1-s0413-05

PWHT温度对Ti2AlNb合金EBW接头显微组织和显微硬度的影响

吴冲冲¹，王清江¹，陈志勇¹，李晋炜²，刘建荣¹

(1. 中国科学院 金属研究所，沈阳 110016；

2. 中航工业北京航空制造工程研究所，北京 100024)

摘  要：研究了不同焊后热处理(PWHT)温度对Ti₂AlNb合金电子束焊接(EBW)接头显微组织和显微硬度的影响。结果表明：焊态条件下，母材区是双态组织，焊缝熔合区主要是柱状B2相组织，焊接接头的显微硬度呈不均匀分布；经焊后热处理，焊缝熔合区变为网篮组织；随着热处理温度升高，熔合区中O相晶粒尺寸增大，数量减少，热影响区为双态组织，与母材区的差别在于等轴α₂相边缘针状化。焊接接头的显微硬度经850、900 ℃热处理后分布均匀。

关键词：Ti₂AlNb合金；电子束焊接；焊后热处理；显微组织；显微硬度

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

Effects of PWHT temperature on microstructure and microhardness of EBW Ti2AlNb alloy joints

WU Chong-chong¹, WANG Qing-jiang¹, CHEN Zhi-yong², LIU Jian-rong¹

(1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;

2. Research Institute of Beijing Aeronautical Manufacturing Technology, Beijing 100024, China)

Abstract: The effects of post weld heat treatment(PWHT) temperature on the microstructure and microhardness of electron beam welding(EBW) Ti₂AlNb alloy joints were studied, while the welding joint was treated at different PWET temperatures. The results show that the microstructure of base metal is duplex microstructure, while the fusion zone is mainly composed of columnar B2 phase in original state，and the microhardness of the original joint is not well-distributed. After PWHT, the column crystal of fusion zone is replaced by basketweave microstructure, and with the PWHT temperature increasing, the grain size of O phase in basketweave becomes larger while the quantity of O phase becomes smaller. At the same time, the heat-affected zone remains the microstructure of base metal besides the edge of α₂ phase tend needle-like. Also, after PWHT conducted at 850 ℃ and 900 ℃, the microhardness of melting joint becomes much better distributed than the original one.

Key words: Ti₂AlNb alloy; electron beam welding; post weld heat treatment; microstructure; microhardness

现代航空航天技术的发展对材料的要求越来越高，高温钛合金因为具有高比强度、低密度以及较好的高温性能，受到越来越多的关注。与传统的近α钛合金相比，钛铝金属间化合物能够在更高的温度下工作，经过各国学者的不断研究，已经开始在航空发动机上得到使用。20世纪80年代，BANERJEE等^[1]在Ti₃Al基合金研究过程中发现了Ti₂AlNb金属间化合物，因其具有正交结构而被命名为O相。

O相合金因其具有优良的高温综合性能受到重视。发动机零部件制造过程中必然涉及异型件的焊接连接问题，焊接接头在实际使用过程中往往是最容易出现问题的部位，因此，对Ti₂AlNb金属间化合物焊接接头的表征必不可少。

真空电子束焊接是实现Ti₂AlNb连接的高效连接方法，此前已经有研究者对电子束焊接接头进行了研究^[2-6]，但这些研究的焊后热处理制度大多参考了Ti₂AlNb非焊接件的研究结果，因此，有必要对焊后热处理方法进行系统研究。

本文作者研究Ti₂AlNb合金焊接接头的微观组织，讨论不同焊后热处理制度对焊接接头组织和显微硬度的影响，该合金成分为Ti-22Al-25Nb，使用真空电子束法焊接。

1  实验

实验材料成分为Ti-22Al-25Nb，是从锻件上切取的厚度为4.2 mm的试板。试板经电子束焊接后分别进行以下不同温度的热处理：(750℃, 2 h, AC)，(800 ℃, 2 h, AC)，(850 ℃, 2 h, AC)，(900 ℃, 2 h, AC)，(950 ℃, 2 h, AC)。

金相试样用线切割机制取，用热镶料镶制，电镜观察前经过喷金处理。使用keyence VHX-1000测量显微镜观察低倍形貌，使用蔡司Axiovert 200MAT金相显微镜、岛津SSX-550钨丝扫描电子显微镜观察微观形貌，使用Future-Tech FM-700e显微硬度计进行显微硬度测试。

2  结果与讨论

2.1  焊态显微组织

图1所示为母材的微观组织。从图1可以看出，母材为双态组织，其中等轴状组织为α₂相。

图1  母材的显微组织

Fig. 1  Microstructure of base metal

图2所示为焊态条件下的焊接接头组织。由图2可以发现，熔合区主要由柱状晶和分布在上下边缘的少量枝状晶组成，并且沿中心轴对称分布。柱状晶由热影响区向熔合区生长，生长方向为逆向散热最快的方向。由于焊接热循环的周期性^[7]，焊态的宏观组织呈现明显的层状不均匀性。

图3所示为焊态焊接接头的显微硬度分布。由图3可以发现，热影响区和熔合区的硬度明显高于母材的，且热影响区的硬度略高于熔合区的硬度。这种硬度不均匀分布，主要是焊接接头组织的不均匀分布所致。

图2  焊接接头焊态的组织形貌

Fig. 2  Microstructures of original welding joint

图3  焊接接头焊态硬度分布

Fig. 3  Hardness distribution of original welding joint

图4  经不同温度焊后热处理后焊接接头熔合区显微组织

Fig. 4  Microstructures of FZ after PWHT at different temperatures

图5  经不同温度焊后热处理后焊接接头热影响区组织

Fig. 5  Microstructures of HAZ after PWHT at different temperatures

2.2  焊后热处理对焊接接头显微组织的影响

图4所示为经过不同温度焊后热处理后，焊缝熔合区的组织变化。由图4可以发现，熔合区组织类似于钛合金中的网篮组织，其中较暗的相是O相，较亮的相是B2相。这是因为焊接熔池在电子束高能量影响下处于极高温度，在此温度下迅速冷却时，α₂相来不及生成，经焊后热处理也未观察到明显的α₂相，因此，在本热处理条件下，焊缝熔合区中主要由O相组成。

随焊后热处理温度的升高，熔合区中的O相尺寸明显增大，如图4所示。从图4还可以观察到， 750、800、850和900 ℃温度热处理时O相含量变化不明显，但在950 ℃热处理时，O相含量却明显减少。这是因为O相长大阶段在950 ℃以下，在此区间内，热处理温度越高，越有利于O相的长大；当温度升高到950 ℃时，已接近O相合金的相转变点，此温度下O相逐渐转变为B2相，表现为O相数量减少，B2相数量增多。

图5所示为不同焊后热处理条件下的热影响区组织。从图5可知，热影响区中的等轴α₂相边缘呈针状，这是因为虽然在750、800、850和900 ℃时，热处理可以同时促进O相和α₂相的生长，但是O相在原始组织中是针状相，针状边缘相对于等轴状边缘更有利于相析出和长大，而且α₂相边缘是3种相接触的区域，更易于新相析出，因而就形成了针状边缘。O相长大趋势与熔合区中O相长大的趋势一致，也是随热处理温度的升高，尺寸逐渐增大。同时，对比图5(d)和(e)可以发现，随热处理温度的升高，B2相含量的明显变多，这与吴波等的预测结果^[8-9]一致。

通过焊接接头显微组织观察，可以推测仅仅经过950 ℃或者更高温度的一重热处理无法获得满意组织，也无法获得满意性能。此外，在750 ℃热处理后，合金中的O相尺寸不大，可能无法得到较好的塑性。但是在本实验温度范围内，还存在O1、O2转变，且在B2相转变为O相的过程中还可能产生β相和O′过渡相。此外，这个温度区间也存在α₂相，相变区间内也可能析出微小的α₂相。这些相变，特别是O1、O2有序无序转变对接头性能有很大的影响^[10]。因此，还不能简单地从微观组织上判断950 ℃以下的哪个温度能得到最好的性能。

2.3  焊后热处理对焊接接头显微硬度的影响

通常条件下，显微硬度可以在一定程度上反映材料的力学性能，下面结合不同热处理条件下的焊接接头显微硬度变化情况，分析热处理对焊接接头力学性能的影响。

焊接接头硬度分布见图6。由图6可以发现，经800 ℃热处理后，焊接接头熔合区和热影响区的硬度显著增加，焊接接头的硬度不均匀分布趋势增加， 经850 和900 ℃热处理后，熔合区和热影响区的显微硬度出现一定程度的下降，接头的硬度分布不均得到改善。从不同热处理条件下焊接接头的显微硬度分布结果来看，焊后热处理的温度范围应该控制在850~900 ℃之间，在此区域内，焊接接头的显微硬度分布较均匀,也能得到接头不同区域较好的性能匹配。

图6  经不同温度焊后热处理后焊接接头的硬度变化

Fig. 6  Hardness distribution of welding joints after PWHT at different temperatures

3  结论

1) 焊态条件下，Ti₂AlNb合金的电子束焊接接头组织和硬度呈现不均匀分布。焊接接头熔合区为粗大的柱状晶组织。焊后热处理后，转变为由O相和B2相组成的网篮组织。随热处理温度升高，O相尺寸变大；在950 ℃热处理后，O相含量明显变少，B2相明显增多。

2) 焊接接头热影响区与母材区的组织形态相似，区别在于圆滑的α₂相边缘变成不规则的针状形貌，不同热处理条件下，热影响区中O相尺寸和含量的变化与熔合区变化趋势一致。

3) 在850和900 ℃进行焊后热处理可以改善焊接接头的硬度分布不均现象。

REFERENCES

[1] BANERJEE D, GOGIA A K, NANDY T K, JOSHI V A. A new ordered orthorhombic phase in a Ti3Al-Nb alloy [J]. Acta Metallurgica, 1988, 36: 871-882.

[2] 朱瑞灿, 张益坤, 谢美蓉, 程云君, 赵 刚. 焊后热处理温度对Ti-22Al-25Nb合金电子束焊接接头组织和性能影响研究[C]//全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集. 2008: 290-294.

ZHU Rui-can, ZHANG Yi-kun, XIE Mei-rong, CHENG Yun-jun, XIE Gang. Effect of PWHT temperature on microstructure and properties of EBW welding Ti-22Al-25Nb alloy[C]//Proceedings of Charged Particle Source and Particle Beam Academic Conference of China, 2008: 290-294

[3] 朱瑞灿, 吴国清, 黄 正, 程云君, 张建伟, 毛智勇, 余 伟. Ti₂AlNb基合金板材电子束焊接焊缝组织研究[J]. 航空制造技术, 2007(z1): 412-415.

ZHU Rui-can, WU Guo-qing, HUANG Zheng, CHENG Yun-jun, ZHANG Jian-wei, MAO Zhi-yong, YU Wei. Microstructure of EB-Welded Joints of Ti2AlNb Based Alloy Sheet[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2007(zl): 412-415.

[4] 尹建明, 卢 斌, 李玉兰, 杨 锐. Ti₂AlNb合金板材的电子束焊接[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(z1): s325-s330.

YIN Jian-ming, LU Bin, LI Yu-lan, YANG Rui. Electron beam welding of Ti₂AlNb based alloy sheet[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(z1): s325-s330.

[5] 冯艾寒, 李渤渤, 沈军. Ti₂AlNb基合金的研究进展[J]. 材料与冶金学报, 2011, 10(1):30-38.

FENG Ai-han, LI Bo-bo, SHEN Jun. Recent advances on Ti₂AINb-based alloys[J]. Journal of Materials and Metallurgy, 2011, 10(1):30-38.

[6] FENG J C, WU H Q, HE J S, ZHANG B G. Microstructure evolution of electron beam welded Ti₃Al-Nb joint [J]. Materials Characterization, 2005, 54: 99-105.

[7] 吴会强, 冯吉才, 何景山, 张秉刚. 焊接工艺对高铌Ti₃Al合金电子束焊接接头显微组织和显微硬度的影响[J]. 中国有色金属学报, 2004, 14(8): 1313-1317.

WU Hui-qiang, FENG Ji-cai,HE Jing-shan,ZHANG Bing-gang. Microstructure evolution of high Nb containing Ti₃Al basedalloy electron beam welding joints[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(8): 1313-1317.

[8] 吴 波，沈剑韵，商顺利, 孙 军, 张 翥, 彭德林, 柳松清. Ti-22Al-27Nb合金平衡相结构预测[J]. 稀有金属, 2002, 26(1): 12-14.

WU Bo, SHEN Jian-jun, SHANG Shun-li, SUN Jun, ZHANG Zhu, PENG De-lin, LIU Song-qing. Prediction of Phase Equilibrium in Ti-22Al-27Nb Alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2002, 26(1): 12-14.

[9] 吴 波，沈剑韵，张 翥, 孙 军, 彭德林, 柳松清. Ti₂AlNb合金的计算机模拟研究进展[J]. 稀有金属材料与工程, 2002, 31(4): 241-245.

WU Bo, SHEN Jian-jun, ZHANG Zhu, SUN Jun, PENG De-lin, LIU Song-qing. The progress of computer simulation for Ti₂AlNb-based alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2002, 31(4): 241-245.

[10] GOGIA A K, NANDY T K, BANERJEE D. Microstructure and mechanical properties of orthormbic alloys in the Ti-Al-Nb system [J]. Intermetallics, 1998, 6(6): 741-748.

(编辑  何学锋)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：王清江，研究员；电话：13704010136；E-mail: qjwang@imr.ac.cn