البنية الدقيقة وخواص روابط سبيكة التيتانيوم TC4 الملحومة باستخدام تقنية الهجين ليزر-MIG

0 مقدمة

السبائك التيتانيوم TC4 هي سبيكة ثنائية الطور من نوع α+β تتميز بكثافة منخفضة، وقوة محددة عالية، ومقاومة للتآكل ممتازة. الأداء الشامل المتفوق يجعلها تُستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل الفضاء الجوي، والهندسة البحرية، والصناعة النفطية الكيميائية، ومعدات الأسلحة. نقطة انصهار سبائك التيتانيوم مرتفعة، ونقل الحرارة منخفض، ونسبة المرونة منخفضة، والنشاط عند درجات الحرارة العالية قوي. يمكن أن يؤدي معالجة اللحام بسهولة إلى انخفاض في مرونة المفصل، وتصلب المفصل، وما إلى ذلك، مما يؤثر بشدة على الأداء التشغيلي لمفصل سبيكة التيتانيوم.

في الوقت الحالي، يتم استخدام طرق مثل اللحام بالغاز الخامل باستخدام القصبة الوولفرامية، واللحام القوس الكهربائي بالغاز، واللحام بالشعاع الإلكتروني للقيام بلحام سبائك التيتانيوم، ولحام بالليزراللحام بالغاز الخامل باستخدام التังستن واللحام بقوس الغاز بالتانغستن سهل التشغيل، منخفض التكلفة، ومرن. ومع ذلك، فإن كثافة مصدر الحرارة فيه منخفضة وسرعة اللحام بطيئة، مما يؤدي إلى مشاكل مثل إدخال حراري كبير، تشوه شديد، وكفاءة لحام منخفضة. على الرغم من أن لحام الشعاع الإلكتروني يمكنه تجنب مشكلة هشاشة المفاصل عن طريق تنفيذه في بيئة شاغرة، مما يوفر جودة أعلى للمفاصل المشدودة، إلا أن تطبيقه الواسع محدود بسبب القيود على حجم مكونات اللحام. يحتوي اللحام الليزري على طاقة مركزة ومنطقة تأثر حراري ضيقة، وليس محدودًا بحجم المكونات. ومع ذلك، فإن seems اللحام لديه تحمل ضعيف للمسافات والأشكال الفجوة، مما يؤدي إلى متطلبات دقة عالية للأدوات والقوالب.

لذلك، تدرس هذه الورقة بشكل منهجي البنية الدقيقة، وتوزيع الصلابة، وخواص الشد، وخواص التآكل الكهروكيميائي للمفاصل الملحومة باستخدام تقنية اللحام الهíbrida بالليزر-MIG لسبائك التيتانيوم TC4 بسمك 3 مم. وتوفر هذه الدراسة مرجعًا ودروسًا لتطبيق تقنية اللحام الهíbrida بالليزر-MIG في تصنيع اللحام لسبائك التيتانيوم.

1 المواد والطرق

1.1 المواد المستخدمة في الاختبار

استُخدمت ألواح سبيكة التيتانيوم TC4 بسمك 4 مم في التجربة، مع معالجة خطي I-groove دون ترك فجوة في الخياطة. تم استخدام سلك لحام سبيكة التيتانيوم TC4 بقطر 1.2 مم كمادة ملء. يُظهر الجدول 1 التركيب الكيميائي للمادة الأساسية والملء المستخدم في التجربة. قبلاللحام، تم إزالة الغشاء الأكسيد الموجود على سطح مادة سبيكة التيتانيوم بواسطة الطحن الميكانيكي، ثم تم تنظيف البقع الزيتية على سطح سبيكة التيتانيوم باستخدام الأسيتون.

جدول 1 التركيب الكيميائي للمادة الأساسية وسلك الملء (و.%）

1.2 طريقة اللحام

استخدمت التجربة ليزر قرص TRUMPF TruDisk 16003، بطول موجي يبلغ 1.06 μm؛ وقد استخدمت وحدة تغذية اللحام القوسية FRONIUS TPS 5000آلة لحام.عملية اللحام استخدمت طريقة الترابط بين مصادر الحرارة مع الليزر في المقدمة والقوس في الخلف. كان الزاوية بين الليزر واللوحة الاختبارية 85°، وكانت الزاوية بينمسدس اللحامواللوحة الاختبارية 60°. كان المسافة بين مصادر الحرارة 3 مم. لمنع أكسدة سطح اللحام، تم حماية كلا الجانبين الأمامي والخلفي للحام باستخدام غاز الأرجون ذي النقاء العالي. معدل تدفق الغاز الحامي على الجانب الأمامي من اللحام هو 50 لتر/دقيقة، وعلى الجانب الخلفي من اللحام هو 20 لتر/دقيقة. يُظهر الشكل 1 مخطط جهاز اللحام المركب بالليزر والقوس ومصدر الغاز الحامي. تُظهر الجدول 2 المعلمات المحسنة لعملية اللحام.

(أ) أجهزة وأساليب اللحام

(ب) جهاز الغاز الحامي

الشكل 1: جهاز الغاز الحامي والمخطط التخطيطي للحام الهجين الليزر-MIG

جدول 2 المعلمات المحسنة للحام الهجين بالليزر-MIG

1.3 طرق الاختبار

استخدام الميكروسكوب الفيديو ثلاثي الأبعاد KEYENCE VHX-1000E لرصد الشكل الكلي والهيكل الدقيق للوصلة الملحومة؛ يتم قياس توزيع الصلابة للوصلة الملحومة باستخدام جهاز اختبار الصلادة الدقيقة FM-700 بحمل تحميل يبلغ 200 غرام ووقت احتفاظ يستمر 15 ثانية. تم اختبار خصائص الشد للوصلة الملحومة باستخدام آلة الاختبار العالمية الإلكترونية WDW-300E، وكانت سرعة تحميل الشد 2 مم/دقيقة. باستخدام محطة كهروكيميائية، تم اختبار منحنيات التحلل الكهربائي للمادة الأساسية والوصلات الملحومة باستخدامlectrode الكلوريد الزئبقي والقطب البلاتيني كأقطاب مرجعية ومساعدة؛ باستخدام مجهر زيس SUPRA55 الإلكتروني المسحّي، تم ملاحظة الشكل الدقيق للكسر في عينة الشد. تُظهر الشكل 2 الرسوم المعدنية وموقع القطع وأبعاد عينة الشد.

(أ) مواقع أخذ العينات للعينات المعدنية وعينات الشد

(ب) أبعاد عينة الشد

الشكل 2 الرسوم التخطيطية لمواقع العينات وأبعاد عينة الشد

2 نتائج الاختبار وتحليلها

2.1 الشكل الكلي والبنية الدقيقة للوصلات اللحام

تُظهر الشكل 3 الخصائص الشكلية الكبيرة والبنية الدقيقة لوصلة اللحام الهجينة بالليزر وميج للسبائك التيتانيوم TC4. تشير نتائج الاختبار إلى أن الجهة الأمامية والخلفية من اللحام تشكلت بجودة جيدة، دون وجود عيوب واضحة في اللحام. يظهر سطح اللحام بلون فضي أبيض كما هو موضح في الشكل 3أ و3ب؛ لا تحتوي قسم اللحام العرضي على عيوب واضحة مثل الفقاعات، عدم الانصهار، أو التآكل كما هو موضح في الشكل 3ج. تتكون البنية الدقيقة للمادة الأساسية لسبائك التيتانيوم TC4 من الطور α المتساوي الحجم + الطور β؛ حيث يتوزع الطور β بشكل متساوٍ حول حدود حبيبات الطور α كما هو موضح في الشكل 3د. تتكون البنية الدقيقة في مركز اللحام بشكل أساسي من بلورات عمودية كبيرة من الطور β. تكون حدود البلورات العمودية سليمة وواضحة، وتتضمن داخل الحدود شبكة دقيقة مشابهة للسلة من α' المارتنسيتي كما هو موضح في الشكل 3ه.

(أ) تشكيل الجانب الأمامي للحام؛ (ب) تشكيل الجانب الخلفي للحام؛ (ج) تشكيل المقطع العرضي للحام؛ (د) بنية المعدن الأساسي;
(هـ) بنية مركز اللحام؛ (و) بنية منطقة التبلور الخشنة في المنطقة المتضررة بالحرارة؛ (ز) البنية الدقيقة لمنطقة التبلور الدقيقة في المنطقة المتضررة بالحرارة

الشكل 3 مظهر اللحام وميزات البنية الدقيقة للوصل الهجين بالليزر-MIG لسبائك التيتانيوم TC4

وهذا يعود بشكل أساسي إلى أنه أثناء عملية اللحام، عندما يتم تسخين المعدن المحامى عليه فوق درجة نقطة انتقال الطور، فإنه يبرد بسرعة. لا يكون للعناصر السبائكية وقت كافٍ للانتشار، مما يؤدي إلى تحول الطور β العالي الحرارة إلى الطور α دون وقت كافٍ للانتشار، وبالتالي يؤدي إلى التحول غير المنتشر، أي المارتنزيت α' الناتج عن القص.تشمل منطقة التأثر بالحرارة منطقتين: المنطقة ذات الحبوب الخشنة والمنطقة ذات الحبوب الدقيقة. تقع المنطقة ذات الحبوب الخشنة بالقرب من خط الانصهار، بينما تقع المنطقة ذات الحبوب الدقيقة بالقرب من المادة الأساسية. يتكون المicrostructure لمنطقة التأثر بالحرارة بشكل أساسي من الطور α المتكافئ + الطور β + α' المارتنزيت. لا يكون توزيع هذه الطورات موحدًا، حيث تكون الحبوب أكبر في المنطقة ذات الحبوب الخشنة القريبة من خط الانصهار، ويكون المارتنزيت الإبري α' أكثر كثافة وانتشارًا نسبيًا، بينما تكون الحبوب أصغر في المنطقة ذات الحبوب الدقيقة القريبة من المادة الأساسية، ويكون المارتنزيت الإبري α' أقل نسبيًا، كما هو موضح في الشكل 3f والشكل 3g. وهذا يعود أساسًا إلى أن منطقة التأثر بالحرارة البعيدة عن خط الانصهار تتأثر بشكل أقل بال مصدر الحرارة، ولديها سرعة تبريد أبطأ نسبيًا، وتحول أقل للطور β إلى المارتنزيت. بالإضافة إلى ذلك، يكون وقت البقاء عند درجات الحرارة العالية أقصر نسبيًا، مما يقلل من احتمالية وسرعة نمو الحبوب.

توزيع الصلابة 2.2

يُظهر الشكل 4 توزيع الصلادة الدقيقة لملحومة التitanium alloy TC4 المركبة بالليزر-MIG. تشير نتائج الاختبار إلى أن قيمة الصلابة في منطقة اللحام هي الأعلى، تليها المنطقة المتضررة حراريًا، بينما تكون صلابة منطقة المادة الأساسية هي الأدنى. كما تم العثور على أن صلادة منطقة الحبوب الخشنة في المنطقة المتضررة حراريًا أعلى من تلك الموجودة في منطقة الحبوب الدقيقة. السبب في ذلك هو حدوث تحول فاز مارتنسيتي في منطقة اللحام، مما يؤدي إلى تكوين كميات كبيرة من الهياكل المارتنسية. تعمل الانزلاقات العديدة داخل المارتنسيت على تعزيز القوة. وفي الوقت نفسه، يحدث تحول جزئي إلى المارتنسيت في المنطقة المتضررة حراريًا، وكمية المارتنسيت الأقرب إلى جانب خط الذوبان أكبر من الجانب الخاص بالمادة الأساسية.

الشكل 4: توزيع الصلادة الدقيقة للملحومة الهجينة بالليزر-MIG للمفاصل المصنوعة من سبيكة التيتانيوم TC4

2.3 خواص الشد

تُظهر نتائج اختبار الشد للوصلة المركبة التي تم لحامها باستخدام الليزر وميج (MIG) من سبيكة التيتانيوم TC4 في الجدول 3. تشير النتائج إلى أن متوسط قوة الشد للوصلة الهجينة الملحومة بالليزر وميج (MIG) من سبيكة التيتانيوم TC4 هو 1069 ميجا باسكال، ومتوسط التمدد بعد الكسر هو 5.3٪، وكافة العينات كست في منطقة المادة الأم القريبة من المنطقة المتضررة حراريًا. عند مقارنة المادة الأساسية، فإن قوة الشد للوصلة الملحومة أعلى من المادة الأساسية، لكن التمدد بعد الكسر أقل بكثير من المادة الأساسية. يُظهر الشكل 5 السمة الدقيقة للكسر في عينة الشد. كست عينة الشد في موقع المادة الأساسية، وهو مرتبط بأقل قيمة صلابة في هذه المنطقة. مسار الكسر يميل حوالي 45 درجة بالنسبة لاتجاه الشد. يتكون شكل الكسر بشكل رئيسي من الحفر، ولكن حجم وعمق الحفر أصغر نسبيًا، مما يشير إلى أن الكسر يظهر خصائص كسر بلاستيكية بشكل أساسي.