發布日期：2025-12-31 10:19:05
引言
TC4 合金（Ti-6Al-4V）是一種 α + β雙相鈦合金，具有優異的強度特性、良好的耐腐蝕性和出色的耐高溫性能，常用于航空航天、船舶制造等領域 [1-3]。K-TIG 焊是一種利用較大電流產生高能量密度電弧來實現深熔焊接的焊接工藝 [4]。在焊接熱過程會產生不均勻的微觀結構，并且在焊接過程中產生的相變會引起力學性能發生改變，進而降低焊接接頭的穩定性，因此 TC4 合金 K-TIG 焊接接頭需要熱處理來進一步提升性能 [5]。
TC4 鈦合金在經過不同的加熱溫度、加熱速度、保溫時間和冷卻速率進行熱處理后，得到了有顯著差異的顯微組織 [6-7]。當前，TC4 鈦合金主要的熱處理方式包括退火處理、固溶處理、時效處理和淬火處理，其核心目標存在一定共性。根據退火溫度的區別，退火處理分為去應力退火和完全結晶退火 [8]。該工藝主要目的在于消除工件內部的殘余應力，同時通過再結晶的方法，獲得完全的等軸細小 α 晶粒。固溶處理的方法是將合金加熱到相變溫度左右并保溫一段時間，然后隨爐自然冷卻 [9]。通過該工藝可以實現元素的全部固溶強化，得到等軸的 α 晶粒和少量殘留 β 相。時效處理的方法是將合金置于較低環境溫度下長時間保溫，然后隨爐緩慢冷卻，其主要作用是消除因焊接或其他處理產生的馬氏體 α ′相和殘留的 β 相，可以獲得較為穩定的室溫組織 [10]。TC4 合金的淬火處理是將合金加熱到高于相變溫度 50~100 ℃，然后使用水或者油等冷卻介質進行快冷的工藝過程 [11]。可以獲得完全的馬氏體 α ′相，提高 TC4 合金的硬度和耐磨性。
結合以上幾種熱處理方法，通過使用去應力退火（SRA）、固溶 + 時效（SSTA）、水淬 + 回火（WQT）和油淬 + 回火（OQT）4 種熱處理方式對接頭進行熱處理。探究不同的熱處理方法對于接頭顯微組織、力學性能的影響。以尋求對于 TC4 K-TIG 焊接接頭最合適的改善接頭組織均勻性和性能的熱處理方法。
1、試驗材料與方法
試驗選用加工尺寸為 200 mm×100 mm×6 mm（長 × 寬 × 高）的 TC4 鈦合金，主要元素成分及含量見表 1。
表 1 TC4 合金的化學成分（質量分數） 單位：%
| 元素 | Ti | Al | V | Fe | C | N | H | O |
| 占比 | 其余 | 6.12 | 4.1 | 0.115 | 0.02 | 0.001 | 0.015 | 0.16 |
試驗所用的設備為 SWS-1000 型號深熔焊機。在進行對接焊接過程中，嚴格控制試板對接間隙為 0，同時鎢極和試板之間的間距設為 2 mm。試板正面、焊槍內部以及試板背面均采用高純氬氣（99.999%）作為保護氣，氣體流速均為 20 L/min。杜金紅等人 [12] 研究發現，在熱輸入為 850~1300 J/mm 時可形成穩定的小孔熔透，在 1118 J/mm 的熱輸入下，可獲得具有良好力學性能的接頭，故采取的焊接參數見表 2。
表 2 K-TIG 焊接試驗中的焊接參數
| 焊接電流 / A | 焊接速度 /(mm・min⁻¹) | 電壓 / V | 熱輸入 /(J・mm⁻¹) |
| 345 | 300 | 18 | 1118 |
試驗所用的熱處理設備是 SA2-2-17TP 箱式氣爐。熱處理前需先將爐體抽至所需真空度 10 −1 Pa，升溫和降溫速率最大為 10 K/min，在熱處理的過程中不斷通入高純氬氣（99.999%）進行氣氛保護。采用以下 4 種處理方式進行焊后熱處理：
去應力退火：加熱至 540 ℃后保溫 4 h，然后空冷至室溫。
固溶 + 時效：加熱至 950 ℃后保溫 1 h，然后以 8 ℃/min 的冷卻速度隨爐冷卻到 550 ℃保溫 4 h，最后隨爐冷卻至室溫。
固溶 + 水淬 + 回火：加熱至 950 ℃后保溫 1 h，然后使用去離子水進行淬火，后在 450 ℃回火 2 h 后隨爐冷卻至室溫。
固溶 + 油淬 + 回火：加熱至 950 ℃后保溫 1 h，然后使用快速淬火油進行淬火，后在 450 ℃回火 2 h 后隨爐冷卻至室溫。
4 組熱處理方式的溫度曲線如圖 1 所示。
2、試驗結果
2.1 不同熱處理方式對焊接接頭宏觀形貌的影響
圖 2 (a)~2 (d) 分別為接頭進行不同熱處理過后的宏觀形貌，圖 2 (e) 為未經熱處理的焊接態接頭宏觀形貌。如圖 2 所示，SRA 宏觀形貌與焊接態基本一致，焊縫表面色澤均勻，HAZ 與 FZ 的邊界清晰，未出現明顯組織突變，原始晶粒形態未發生改變，宏觀視角下可觀察到焊接態典型的柱狀晶分布特征。經 SSTA 處理后，接頭整體宏觀組織均勻性顯著提升，HAZ 與 FZ 的界限因受晶粒細化影響而趨于模糊。經 WQT 和 OQT 兩者處理后宏觀形貌呈現相似特征，HAZ 和 FZ 區域的晶界寬度增大，形成 “網格狀” 宏觀組織輪廓。
2.2 去應力退火（SRA）的顯微組織
由圖 3 (a)~3 (f) 可以觀察到，TA1 純鈦板材經過 SRA 處理后，HAZ 的組織形態未發生明顯改變，仍以不同尺寸的初晶 β 晶粒構成，內部析出的 α' 相與原晶界呈 45° 析出。在 FZ 區域，初晶 β 的分布同樣未發生明顯改變，但內部析出的 α' 相在數量上有所減小。微小的 α 3 ′ 相會部分溶解， α 1 ′ 相和 α 2 ′ 相的形態未發生明顯改變。
2.3 固溶 + 時效處理（SSTA）的顯微組織
結合圖 4、圖 3 (e)~3 (f) 表征結果，可明確接頭經 SSTA 熱處理后，其全部接頭區域的顯微組織與焊接態的接頭顯微組織相比發生了明顯變化。時效處理可以有效消除因焊接產生的馬氏體 α' 相和殘留的 β 相，獲得較為穩定的室溫組織。圖 4 (a) 和圖 4 (d) 為母材區域的顯微組織，由此結果表明母材區中的 α+β 組織的含量顯著下降，二次 α 相的含量提升。這是由于在經過 950 ℃固溶 1 h 后，母材內的 α+β 組織由于 Al 的擴散導致殘留 β 相發生溶解 [13]。
圖 4 (b) 和圖 4 (e) 為接頭 HAZ 的組織，由此可知，原初晶 β 晶界處有晶界 α 相析出。由于固溶溫度處于臨近相變點附近，導致部分 HAZ 區域的 α' 相已經完全發生相變，首先生成初晶 β，然后在后續時效過程中轉化為一次 α 相，而大部分的 α' 相則會重新溶解固溶，在此過程中，其內部飽和固溶的 Al 元素會再次析出，然后按照原 α' 相晶界生成新片層狀的二次 α 相，其余部分則會形成片層的二次 β 相。
圖 4 (c) 和圖 4 (f) 為試樣 4 的 FZ 經 SSTA 后的顯微組織。由圖可知，其發生的變化與 HAZ 類似，在原初晶 β 晶界處會析出晶界 α 相，寬度大小大于 HAZ。在初晶 β 晶粒內部，全部的 α' 相會發生溶解，生成和原 α' 相取向相同的二次 α 相。在相距較近的二次 α 相之間，會有殘留的 β 片層伴隨二次 α 相的析出依次出現。
2.4 水淬 + 回火處理（WQT）的顯微組織
圖 5 為經過 WQT 處理后接頭的顯微組織圖，結合圖 3 (e)~3 (f) 與圖 4 (g)~4 (h) 分析得到經過 WQT 的試樣組織相較于焊接態發生明顯的轉變，且不同區域間的組織也存在明顯差異。
圖 5 (a) 為經 WQT 熱處理后母材區的顯微組織，結果表明，母材區的等軸塊狀 α 相及帶狀 α+β 組織完全消失，轉變成塊狀基體 α 與 α+β 相。同時，部分區域經固溶處理后，形成了網狀殘留 β 相。圖 5 (b) 為 HAZ 的顯微組織，結果表明，該區域原針狀 α ′相已轉變為塊狀 α 相，僅局部殘留少量 α ′和點狀相，且 HAZ 區域的組織呈現典型羽毛狀特征。在后續的回火過程中，塊狀 α 相逐漸長大。圖 5 (c) 為 FZ 的組織，結果表明，焊接態針狀 α ′相完全溶解。所有區域在淬火后形成了板條狀的 α ′相，由于固溶處理的加熱溫度設為 950 ℃，淬火時焊接態的針狀 α ′相全部轉變為初晶 β 相，然后經快速冷卻轉化為板條 α 相。與焊接態的 α ′相相比，尺寸顯著增大，數量明顯增多。淬火后則進一步形成板條狀 α ′相。回火處理使板條 α 相尺寸增大，元素分布更均勻。
2.5 油淬 + 回火處理（OQT）的顯微組織
經 OQT 處理后的接頭顯微組織（如圖 6 所示）與經 WQT 處理后的具有類似的相變過程，但在淬火過程中油淬的冷卻速率要低于水淬，導致生成的塊狀 α 相具有更長的生長時間。
（注：圖中標注：(a) BM 500× 塊狀 α、殘留 β；(b) HAZ 500× 板條 α'、殘留 β；(c) FZ 500× 板條 α'、殘留 β）
經 OQT 處理后試樣 4 母材區的顯微組織如圖 6 (a) 所示。母材區原本的等軸塊狀 α 相和沿軋制方向分布的帶狀 α + β組織完全消失，組織形態轉變為 α 相，部分塊狀基體進一步生長成短棒狀。由圖 6 (a) 可見，與 WQT 處理后的母材區相比，BM 區殘留 β 相數量減少，呈彌散分布的黑色點狀。熱影響區顯微組織如圖 6 (b) 所示。由圖可見，經 OQT 處理后生成塊狀和長條狀混合的 α 相，在后續的回火過程中發生明顯長大現象。且在該區域也有大量的殘留 β 相，彌散分布在塊狀 α 相的界面交界處。熔合區如圖 6 (c) 所示。由圖可見，FZ 區域生成大量的板條狀 α 相，其數量要少于 HAZ，但尺寸卻比 HAZ 區域的要大。
3、力學性能變化
3.1 顯微硬度分析
經不同熱處理后試樣的顯微硬度變化如圖 7 所示。經過 SRA 處理后，接頭的顯微硬度均呈現提升趨勢，接頭不同區域間的均勻性顯著提升，整體硬度為 360 HV0.2 左右。相較于 SRA 處理，經過 SSTA、WQT 和 OQT 處理后的試樣顯微硬度提升更為顯著。經 SSTA 處理后接頭硬度處于 450~520 HV0.2，不同區域間的硬度有著顯著差別。其中經 WQT 處理后試樣的顯微硬度最高，而經 OQT 處理后的試樣則略微高于經 WQT 處理后的試樣，但兩者都達到了 480 HV0.2 以上。
試樣顯微硬度的變化由其微觀組織變化決定。經 SSTA 處理后，固溶進入 α ′相的 V 元素得到釋放，擴散并固溶進入 α ′相周圍的二次 α 相中，起到強化作用，所以試樣能夠顯著提升整體的顯微硬度且變得均勻。進行 WQT 處理后，試樣中的 α ′相幾乎全部轉變為 α 相，α 相對硬度的貢獻顯著高于針狀的 α ′相，所以接頭的顯微硬度顯著上升。經過 WQT 和 OQT 處理后的試樣，其組織全部變為 α 相，進而導致顯微硬度顯著提升。
進一步對比可知，經 WQT 與 OQT 處理后試樣硬度與耐磨性能呈正相關，塊狀 α 相的強化作用使耐磨性能提高。由于 WQT 和 OQT 試樣中的 α 相為塊狀和短棒狀，其中 WQT 處理后的板條 α 相尺寸最小，其顯微硬度也最大。
3.2 不同熱處理方式對焊接接頭抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率的影響
圖 8 為經過不同熱處理后接頭的應力−應變曲線。經熱處理后，接頭的強度均有所下降，而部分接頭的斷后伸長率有所提升。經 SRA 和 SSTA 處理的試樣斷裂發生在熔合線附近，經 WQT 和 OQT 處理的試樣斷裂卻發生在母材靠近拉伸試樣夾持部位。結果表明，經過 WQT 或 OQT 處理，焊接接頭的均勻性顯著提升，焊接造成的咬邊不再是接頭的薄弱部位。
熱處理后和焊接態試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率如圖 9 所示。結果顯示所有試樣的抗拉強度和屈服強度相較于焊接態試樣都呈下降趨勢。經過 SRA 的試樣斷后伸長率相較于焊接態提高了 10.11%。而 SSTA、WQT 和 OQT 試樣的強度和斷后伸長率對比焊接態試樣都有所下降。
SRA 處理通過低溫退火使 HAZ 和 FZ 區域內的 α 3 ′ 相溶解，強化相的溶解和 SRA 處理后位錯密度的減少導致接頭的強度略有下降，但 α 1 ′ 相和 α 2 ′ 相的數量和形態并未發生變化，其強度下降幅度相對較小。由于 α 3 ′ 相消失及 α ′相位錯釘扎區均勻化減少的位錯與亞晶界對材料變形的抵抗力，所以 SRA 試樣的斷后伸長率提升了 10.11%。SSTA 處理后，HAZ 和 FZ 的 α ′相全部轉換為二次 α 相和晶界 α 相，導致固溶強化消失及晶界弱化，引發強度顯著下降。但由于 HAZ 和 FZ 內的 α 相的形態大部分為針狀，尺寸較小，對接頭能夠起到較好的強化作用 [15]。WQT 和 OQT 強度和斷后伸長率均出現大幅度下降趨勢，原因在于經淬火后，母材的等軸軋制態的細晶粒經相變轉變為晶粒較大的塊狀 α 相，且網狀和點狀的殘留 β 相會大量出現。這種相變導致的細晶強化消失和網狀 β 相的缺陷致使強度和斷后伸長率都發生下降。
3.3 拉伸斷口分析
圖 10 (a) 為 SRA 斷口的宏觀形貌，結果顯示斷口由中央的韌窩區和邊緣的頸縮區構成。圖 10 (b) 和圖 10 (c) 分別為中央區和邊緣區的放大圖，結果顯示斷口處由大量的韌窩和少部分的準解理面構成。經過 SSTA 后得到試樣的斷口形貌如圖 10 (d)~ 圖 10 (f) 所示，可得經過處理后，試樣的中央區域面積顯著增大，頸縮區面積呈減小趨勢。這表明在經過處理后，試樣的抗變形能力減弱，變形的面積減小。在微觀的斷口形貌中可見大量的光滑解理面，這是脆性斷裂時裂紋直接沿整個一次 α 相擴展所致。韌窩的數量減少，尺寸減小，接頭整體的斷裂形式變為脆性和韌性的混合斷裂模式。
圖 11 (a)~11 (c) 為 WQT 處理后試樣的斷口形貌表征結果，結果顯示該試樣斷口整個截面基本呈單一區域。在斷口的微觀組織內部以臺階狀的解理面為主要形貌特征，且遍布斷口的全部區域。由于斷裂發生于母材區，斷口解理面內主要為塊狀的 α 相斷裂后形成的塊狀滑移面。接頭內部的殘留 β 相會成為斷裂時的裂紋源，而網狀分布的 β 相進一步促使斷口內解理面形成大塊狀臺階結構。同時在 2 個臺階界面處，可觀察到因撕裂產生的孔洞區域。圖 11 (d)~11 (f) 為 OQT 試樣的斷口形貌，與 WQT 試樣類似，斷口截面基本為單一區域。斷口內部由大量長條狀的臺階構成，且面積大于 WQT 試樣，同時解理面內部的塊狀滑移面尺寸大于塊狀 WQT 試樣。主要原因為 OQT 試樣內部的塊狀 α 相尺寸增大，殘留 β 相的數量減少，導致斷裂時裂紋源減少，OQT 試樣的強度和斷后伸長率均要優于 WQT 試樣。
4、結論
(1) 采用 4 種不同熱處理后接頭的顯微組織均發生了顯著變化。經過 SRA 處理后的 FZ 和 HAZ 中的 α 3 ′ 相部分溶解，其余組織未發生明顯變化。經 SSTA 后的 FZ 和 HAZ 全部重新析出晶界 α 相、一次 α 相和二次 α 相。WQT 和 OQT 處理后的 FZ 和 HAZ 析出塊狀和板條 α 相，OQT 上析出的板條狀 α 相的數量要少于 WQT，但尺寸卻大于 WQT 區域并有大量的殘留 β 相出現在組織中。
(2) 經過 4 種熱處理后試樣的顯微硬度都有所提升，其中 WQT、OQT、SSTA 提升較大，WQT、OQT 達到 500~600 HV0.2；SSTA 達到 450~530 HV0.2。熱處理后，試樣的抗拉強度與屈服強度均有所下降，且 SRA 的斷后伸長率在焊接態 96% 的基礎上還提升了 10%。
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（注，原文標題：熱處理對TC4鈦合金K-TIG焊接接頭組織及性能的影響）