前言

鈦及其合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高、良好的塑性和韌性及優(yōu)異的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、航海造船、車輛工程、生物醫(yī)療、石油化工等行業(yè)[1-5]。優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能使得TA2在石化行業(yè)備受青睞，在熱交換器及各種化學(xué)反應(yīng)容器等產(chǎn)品上得到了有效的應(yīng)用[6-8]。由于TA2存在易吸氫、易氧化、不易焊接等特點(diǎn)[9-11]，目前大多數(shù)研究主要集中在焊接方式的選擇和焊接工藝控制兩方面，而對于焊接接頭的微觀組織、力學(xué)性能及耐腐蝕性能的研究較少，因此深入研究TA2焊接接頭的微觀組織、力學(xué)性能及電化學(xué)耐蝕性能,可更好的為涉及TA2材質(zhì)的工業(yè)化應(yīng)用及產(chǎn)品生產(chǎn)制造提供理論借鑒及工程應(yīng)用參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)用母材選取厚度為10mm的TA2試板，焊材選用焊絲ERTA2ELI，材料化學(xué)成分詳見表1。

1.2焊接方法及工藝參數(shù)

裝配前用化學(xué)試劑(  V_HF:V H_NO3:V_H2O =4:17:79)對TA2試板及焊絲ERTA2ELI進(jìn)行酸洗，用水清洗干凈。焊前使用無水乙醇再次對TA2試板及焊材進(jìn)行擦拭，采用TIG焊方法進(jìn)行焊接，焊接過程中采用接觸式測溫儀對試件進(jìn)行測溫，保證試件最大層道間溫度≤120℃，鎢極直徑2.4mm，電流衰減時(shí)間4~5s，保護(hù)氣體:≥99.99%Ar，保護(hù)氣體壓力為3MPa(保護(hù)氣體、尾部保護(hù)氣體)及5MPa(背面保護(hù)氣體)，提前通氣時(shí)間10~15s，延后停氣時(shí)間25~30s，其余焊接工藝參數(shù)詳見表2。

表1 TA2試板及焊絲化學(xué)成分

材料	化學(xué)成分/%
	w(Fe)	w(C)	w(N)	w(H)	w(O)	w(Ti)
TA2	0.04	0.02	0.01	0.002	0.14	余量
ERTA2ELI(焊絲)	0.05	0.01	0.012	0.001	0.08	余量

表2 TA2試板焊接工藝參數(shù)

層數(shù)	焊接方法	焊材直徑/mm	電源極性	焊接電流I/A	電弧電壓U/V	焊接速度v/(cm·min-1)	保護(hù)氣體流量q/(L·min-1)
1	TIG(M-GTAW)	2.4	DCEN	100~120	9~12	6~10	16~20(正面)
2~4	TIG(M-GTAW)	2.4	DCEN	120~140	11~14	6~10	22~25(尾部) 15~20(背面)

1.3試驗(yàn)方法

TA2試板在焊接完成后進(jìn)行射線檢測(RT)及滲透檢測(PT)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。使用WE-60液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)，使用Kroll試劑對金相試樣進(jìn)行腐蝕，使用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡對焊接接頭微觀組織進(jìn)行觀察，使用NI500金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭的沖擊試驗(yàn)，使用HVS-50維氏硬度計(jì)測試焊接接頭硬度，載荷98N，加載時(shí)間15s。使用Apollo300掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。使用RST5202F電化學(xué)工作站，測定母材和焊接接頭分別在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的極化曲線，得出自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度I及鈍化電流密度I，電極采用三電極法，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，試樣為工作電極，試驗(yàn)溫度為20℃，動(dòng)電位掃描，掃描速度為0.15mV/s。圖1所示為焊接接頭示意圖及截面宏觀形貌。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1力學(xué)性能

2.1.1抗拉強(qiáng)度及彎曲性能

根據(jù)NB/T47014一2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，分別對焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣斷裂位置均為焊縫，焊接接頭抗拉強(qiáng)度分別為492MPa、480MPa，滿足母材的抗拉強(qiáng)度要求(≥400MPa)。焊接接頭的彎曲試驗(yàn)壓頭直徑為100mm，彎曲角度為180°，面彎及背彎各2個(gè)試樣拉伸結(jié)果均合格，無裂紋，說明焊接接頭彎曲性能良好。

2.1.2沖擊性能

為了研究焊接接頭的沖擊性能，根據(jù)GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對其進(jìn)行了室溫沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為7.5mm 10mm55mm，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出，母材和熱影響區(qū)平均吸收能量為140~150J，母材的平均沖擊吸收能量高于熱影響區(qū)平均沖擊吸收能量，焊縫區(qū)域的平均沖擊吸收能量最低，為90~100J。

焊接接頭沖擊試樣斷口形貌如圖3所示。從圖3(a)中可看出，TA2母材的斷口韌窩數(shù)量多且尺寸小。從圖3(b)中發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的斷口也存在大量的韌窩，但相比母材區(qū)域而言，該區(qū)域的韌窩尺寸增大。相比前兩個(gè)區(qū)域，焊縫區(qū)的韌窩數(shù)量大幅度減少，韌窩的深度變淺，同時(shí)存在一定量的解理小平面，如圖3(c)所示。

2.1.3硬度

對焊接接頭的不同區(qū)域進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出，焊縫區(qū)域的硬度最大值為178HV1。，高于熱影響區(qū)及母材區(qū)域的硬度最大值，母材區(qū)域的硬度最低，焊接接頭最大硬度值與最小硬度值的差值為14HV1.0。

2.2顯微組織

對焊接接頭進(jìn)行微觀組織觀察，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可看出，TA2母材的組織為等軸α相，晶粒尺寸較小，分布均勻。從圖5(b)可發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)組織為粗大的α相和不規(guī)則鋸齒狀α相。相比母材晶粒的粗化，在一定程度上惡化了該區(qū)域的性能。在圖5(c)中，發(fā)現(xiàn)焊縫組織中存在針狀馬氏體(a'相)，該馬氏體是高溫β相以很快的冷卻速度冷卻下來，以非擴(kuò)散形式轉(zhuǎn)變成的過飽和α相，這種馬氏體不具備鋼中馬氏體那樣顯著的強(qiáng)化作用，但也具有一定的強(qiáng)化作用。因此，馬氏體的存在使得焊縫區(qū)域的沖擊性能下降，硬度升高。

2.3電化學(xué)腐蝕

為研究TA2母材和焊接接頭分別在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的電化學(xué)腐蝕性能，對TA2母材和TA2焊接接頭分別進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，極化曲線如圖6所示，自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度Icorr及鈍化電流密度I_pass 見表3。

表3 TA2母材和焊接接頭的電化學(xué)腐蝕特征值

溶液	試樣位置	自腐蝕電位 E/V	自腐蝕電流密度Icorr/(μA.cm−2)	鈍化電流密度Ipass /(μA.cm−2)
10%HCl	TA2母材	-0.258	0.000 215	0.003359
	TA2焊接接頭	-0.293	0.000394	0.015637
10%NaCl	TA2母材	-0.236	0.000015875	0.007591
	TA2焊接接頭	-0.284	0.000021544	0.010586

從圖6可看出，TA2母材和TA2焊接接頭均具有較寬的穩(wěn)定鈍化電位，說明鈍態(tài)穩(wěn)定，在兩種溶液中均具有良好的耐腐蝕性。從表3可看出，在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材自腐蝕電位E大于TA2焊接接頭的自腐蝕電位E_corr，對于自腐蝕電流I_corr而言，TA2母材小于TA2焊接接頭，TA2母材鈍化電流密度I小于TA2焊接接頭的鈍化電流密度I_pass 。相比自腐蝕電位E_corr及自腐蝕電流密度I_corr，鈍化電流密度I_pass 是更為重要的參數(shù)，鈍化電流密度I越小，鈍化膜對腐蝕介質(zhì)的屏蔽能力越強(qiáng)，鈍化膜的溶解速度越小，耐腐蝕性能越強(qiáng)。同時(shí)自腐蝕電位E_corr越負(fù)，自腐蝕電流I越大，材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕的傾向越大[14-15]，因此可得出，在上述兩種溶液中，TA2母材電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于TA2焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能。相比母材，熱影響區(qū)α相晶粒粗大，焊縫區(qū)域存在針狀馬氏體，晶界缺陷較多，容易先發(fā)生腐蝕，最終導(dǎo)致TA2母材電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于TA2焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能。

3、結(jié)論

(1)TA2板材焊接接頭經(jīng)無損檢測未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為492MPa、480MPa;彎曲性能良好。

(2)TA2母材和熱影響區(qū)平均吸收能量140~150J，母材的平均沖擊吸收能量高于熱影響區(qū)平均沖擊吸收能量，焊縫區(qū)域平均沖擊吸收能量最低，90~100J;TA2焊接接頭中焊縫區(qū)域的最高硬度值178HV1。，高于熱影響區(qū)及母材區(qū)域的最高硬度值，母材區(qū)域的硬度值最低，164HV  1.0 ∘

(3)TA2母材組織為等軸α相,熱影響區(qū)組織為粗大的α相+不規(guī)則鋸齒狀α相，焊縫組織中存在針狀馬氏體(a'相)。

(4)相比TA2熱影響區(qū),TA2母材區(qū)的沖擊斷口韌窩數(shù)量較多且尺寸較小。焊縫區(qū)的韌窩數(shù)量少，深度淺，同時(shí)存在一定量的解理小平面。

(5)在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于TA2焊接接頭電化學(xué)腐蝕性能。

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（注，原文標(biāo)題：TA2板材焊接接頭組織及性能研究）

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tag標(biāo)簽:TA2,TA2鈦合金,TIG焊接接頭

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