البنية المجهرية وخصائص وصلات سبائك التيتانيوم الملحومة بالليزر-MIG TC4

0 مقدمة

سبائك التيتانيوم TC4 عبارة عن سبيكة تيتانيوم نموذجية ثنائية الطور من النوع α+β تتميز بكثافة منخفضة وقوة محددة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل. أدائها العام المتفوق يجعلها تستخدم على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الطيران والهندسة البحرية وصناعة الكيماويات البترولية ومعدات الأسلحة. نقطة انصهار سبائك التيتانيوم عالية، والتوصيل الحراري منخفض، ومعامل المرونة منخفض، ونشاط درجة الحرارة العالية قوي. يمكن أن تؤدي معالجة اللحام بسهولة إلى انخفاض في مرونة المفاصل، وتقصف المفاصل، وما إلى ذلك، مما يؤثر بشدة على أداء خدمة وصلة سبائك التيتانيوم.

في الوقت الحاضر، يستخدم لحام سبائك التيتانيوم بشكل رئيسي طرق مثل لحام غاز التنغستن الخامل، لحام قوس غاز التنغستن، لحام شعاع الإلكترون، و اللحام بالليزرلحام غاز التنغستن الخامل واللحام بقوس غاز التنغستن سهل التشغيل ومنخفض التكلفة ومرن. ومع ذلك، فهي تتميز بكثافة منخفضة لمصدر الحرارة وسرعة لحام بطيئة، مما يؤدي إلى مشكلات مثل مدخلات الحرارة الكبيرة والتشوه الشديد وانخفاض كفاءة اللحام. على الرغم من أن اللحام بشعاع الإلكترون يمكن أن يتجنب مشكلة تقصف المفاصل من خلال إجرائه في بيئة مفرغة، توفير جودة أعلى للمفاصل الملحومة، يتم إعاقة تطبيقه على نطاق واسع بسبب القيود المفروضة على حجم مكونات اللحام. يحتوي اللحام بالليزر على طاقة مركزة ومنطقة ضيقة متأثرة بالحرارة، ولا يقتصر على حجم المكونات. ومع ذلك، فإن وصلة اللحام لديها قدرة تحمل ضعيفة للفجوة وشكل الأخدود، مما يؤدي إلى متطلبات دقة عالية للرقص والتركيب.

ولذلك، يدرس هذا البحث بشكل منهجي البنية المجهرية، وتوزيع الصلابة، وخصائص الشد، وخصائص التآكل الكهروكيميائي للمفاصل الملحومة الهجينة بالليزر وMIG المصنوعة من سبائك التيتانيوم TC3 والتي يبلغ سمكها 4 مم. وهو يوفر مرجعًا ودروسًا لتطبيق تقنية اللحام الهجين بالليزر MIG في تصنيع لحام سبائك التيتانيوم.

1 مواد وطرق الاختبار

1.1 اختبار المواد

استخدمت التجربة صفائح من سبائك التيتانيوم TC4 بسمك 4 مم، تمت معالجتها في أخدود على شكل حرف I، دون ترك فجوة في خط اللحام. وكانت مادة الحشو المستخدمة عبارة عن سلك لحام من سبائك التيتانيوم TC1.2 بقطر 4 مم. يظهر التركيب الكيميائي للمادة الأساسية التجريبية ومواد الحشو في الجدول 1.قبل لحامتمت إزالة فيلم الأكسيد الموجود على سطح مادة سبائك التيتانيوم عن طريق الطحن الميكانيكي، ثم تمت إزالة بقع الزيت على سطح سبائك التيتانيوم عن طريق المسح بالأسيتون.

الجدول 1 التركيب الكيميائي للمادة الأساسية وسلك الحشو （wt.%)

الخامة	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	أخرى
المواد الأساسية	البخور	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
سلك لحام	البخور	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 طريقة اللحام

استخدمت التجربة قرص ليزر TRUMPF TruDisk 16003، بطول موجة يبلغ 1.06 ميكرومتر؛ يستخدم مصدر طاقة اللحام القوسي FRONIUS TPS 5000 آلة لحاماستخدمت عملية اللحام طريقة اقتران مصدر الحرارة بالليزر في الأمام والقوس في الخلف. كانت الزاوية بين الليزر ولوحة الاختبار 85 درجة، وكانت الزاوية بين بندقية لحام وكانت لوحة الاختبار 60 درجة. وكانت المسافة بين مصادر الحرارة 3 ملم. ولمنع أكسدة سطح اللحام، تم حماية كل من الجزء الخلفي والأمامي من اللحام بغاز الأرجون عالي النقاء. معدل تدفق الغاز الواقي على الجانب الأمامي من اللحام هو 50 لتر / دقيقة، وعلى الجانب الخلفي من اللحام 20 لتر / دقيقة. يظهر الرسم التخطيطي لجهاز اللحام المركب بقوس الليزر والغاز الواقي في الشكل الشكل 1. تظهر معلمات عملية اللحام المحسنة في الجدول 2.

(أ) أجهزة وطرق اللحام

(ب) جهاز الغاز الواقي

الشكل 1: جهاز غاز وقائي ورسم تخطيطي للحام الهجين بالليزر MIG

سرعة اللحام/(م·دقيقة-1)	قوة الليزر/كيلوواط	تيار اللحام / أ	قطر البقعة/مم	إزالة التركيز / مم
2.5	4.0	127	0.6	+2

الجدول 2: معلمات اللحام الهجين بالليزر MIG المحسنة

1.3 طرق الاختبار

باستخدام مجهر الفيديو ثلاثي الأبعاد KEYENCE VHX-1000E لمراقبة الشكل العياني والبنية المجهرية للمفصل الملحوم؛ يتم قياس توزيع صلابة المفصل الملحوم بواسطة اختبار الصلابة الدقيقة FM-700 مع حمولة تحميل تبلغ 200 gf و عقد الوقت من 15 ثانية. تم اختبار خصائص الشد للمفصل الملحوم باستخدام آلة الاختبار العالمية الإلكترونية WDW-300E، وكانت سرعة تحميل الشد 2 مم/دقيقة. باستخدام محطة عمل كهروكيميائية، يتم اختبار منحنيات الاستقطاب للمادة الأساسية والمفاصل الملحومة باستخدام الكالوميل القطب الكهربائي والقطب البلاتيني كقطب مرجعي وقطب مساعد؛ باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح ZEISS SUPRA55، راقب الشكل المجهري لكسر عينة الشد. يظهر الشكل 2 موضع علم المعادن والقطع لعينة الشد وحجم عينة الشد.

(أ) مواقع أخذ العينات من العينات المعدنية والشد

( ب ) أبعاد عينة الشد

الشكل 2: الرسوم البيانية التخطيطية لمواقع أخذ العينات وحجم عينة الشد

2 نتائج الاختبار والتحليل

2.1 الشكل الكبير والبنية المجهرية للمفاصل الملحومة

يتم عرض الخصائص المورفولوجية العيانية والبنية المجهرية للمفصل الملحوم الهجين MIG بالليزر وسبائك التيتانيوم TC4 في الشكل 3. تظهر نتائج الاختبار أن الجزء الأمامي والخلفي من اللحام يشكلان جودة جيدة، مع عدم وجود عيوب لحام واضحة. يبدو أن سطح اللحام أبيض فضي، كما هو موضح في الشكل 3 أ و3 ب؛ لا يحتوي المقطع العرضي للحام على عيوب واضحة مثل المسام، وعدم الانصهار، والتقويض، كما هو موضح في الشكل 3 ج. التركيب المجهري للمادة الأساسية لسبائك التيتانيوم TC4 متساوي الطور α + الطور β؛ يتم توزيع الطور β بالتساوي حول حدود حبيبات الطور α، كما هو موضح في الشكل ثلاثي الأبعاد. تتكون البنية المجهرية في مركز اللحام بشكل أساسي من بلورات عمودية كبيرة الطور. حدود الحبوب للبلورات العمودية سليمة وواضحة، ويحتوي الجزء الداخلي من حدود الحبوب على α' martensite الناعم المتشابك الذي يشبه السلة، كما هو موضح في الشكل 3e.

(أ) تشكيل الجانب الأمامي من اللحام؛ (ب) تشكيل الجانب الخلفي من اللحام؛ (ج) تشكيل المقطع العرضي من اللحام؛ (د) هيكل المعدن الأساسي؛
(هـ) هيكل مركز اللحام؛ (و) هيكل المنطقة ذات الحبيبات الخشنة في المنطقة المتأثرة بالحرارة؛ (ز) البنية المجهرية لمنطقة الحبيبات الدقيقة في المنطقة المتأثرة بالحرارة

الشكل 3. المظاهر الملحومة وخصائص البنية المجهرية للمفصل الملحوم الهجين بالليزر MIG من سبائك التيتانيوم TC4

ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه أثناء عملية اللحام، عندما يتم تسخين معدن اللحام إلى أعلى من درجة حرارة نقطة انتقال الطور، فإنه يبرد بسرعة. ليس لدى عناصر صناعة السبائك الوقت الكافي للانتشار، مما يتسبب في تحول الطور β عالي الحرارة إلى الطور α دون وقت كافٍ للانتشار، وبالتالي يؤدي إلى التحول غير الانتشاري، على سبيل المثال، مارتنسيت α' الناتج عن القص.تشمل المنطقة المتأثرة بالحرارة منطقتين: منطقة الحبيبات الخشنة ومنطقة الحبيبات الدقيقة. تقع المنطقة ذات الحبيبات الخشنة بالقرب من خط الاندماج، بينما تكون المنطقة ذات الحبيبات الدقيقة بالقرب من المادة الأساسية. وتتكون البنية المجهرية للمنطقة المتأثرة بالحرارة بشكل أساسي من طور α + طور β + مارتنسيت α' متساوي المحاور. توزيع هذه المراحل ليس موحدًا، حيث توجد حبيبات أكبر في المنطقة ذات الحبيبات الخشنة بالقرب من خط الاندماج، ويكون α' martensite الذي يشبه الإبرة أكثر كثافة نسبيًا، في حين أن الحبيبات الموجودة في المنطقة ذات الحبيبات الدقيقة بالقرب من المادة الأساسية تكون أكثر كثافة. أصغر حجمًا والمارتنسيت α' الذي يشبه الإبرة أقل نسبيًا، كما هو موضح في الشكل 3f والشكل 3g، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن المنطقة المتأثرة بالحرارة والبعيدة عن خط الاندماج أقل تأثرًا بمصدر الحرارة، ولها تبريد أبطأ نسبيًا السرعة، وعدد أقل من تحويلات الطور بيتا إلى مارتنسيت. علاوة على ذلك، هناك فترة بقاء أقصر نسبيًا في درجات الحرارة المرتفعة، مما يقلل من الميل والحركية لنمو الحبوب.

2.2 توزيع الصلابة

يظهر الشكل 4 توزيع الصلابة الدقيقة لمفصل اللحام المركب بالليزر MIG من سبائك التيتانيوم TC4. تظهر نتائج الاختبار أن قيمة الصلابة في منطقة اللحام هي الأعلى، تليها المنطقة المتأثرة بالحرارة، مع وجود منطقة المواد الأساسية أدنى قيمة صلابة. وقد وجد أيضًا أن صلابة منطقة الحبوب الخشنة في المنطقة المتأثرة بالحرارة أعلى من منطقة الحبوب الدقيقة. وذلك لأن تحول طور المارتنسيت يحدث في منطقة اللحام، مما يؤدي إلى وجود كمية كبيرة من الهياكل المارتنسيتية. تلعب الاضطرابات العديدة داخل مارتنسيت دورًا معززًا. وفي الوقت نفسه، يحدث تحول جزئي للمارتنسيت في المنطقة المتأثرة بالحرارة، وتكون كمية المارتنسيت الأقرب إلى جانب خط الاندماج أكبر من تلك الموجودة على جانب المادة الأساسية.

الشكل 4: توزيع الصلابة الدقيقة لمفصل سبائك التيتانيوم TC4 الملحوم بالليزر MIG

2.3 خصائص الشد

نتائج اختبار الشد للمفصل الملحوم المركب بالليزر-MIG من سبائك التيتانيوم TC4 موضحة في الجدول 3. توضح النتائج أن متوسط ​​قوة الشد للمفصل الملحوم الهجين بالليزر-MIG من سبائك التيتانيوم TC4 هو 1069 ميجا باسكال، ومتوسط ​​الاستطالة بعد الكسر هو 5.3%، وجميع العينات انكسرت في منطقة المادة الأم بالقرب من المنطقة المتأثرة بالحرارة. وبالمقارنة مع المادة الأساسية، فإن قوة الشد للمفصل الملحوم أعلى من المادة الأساسية، ولكن استطالتها بعد الكسر أقل بكثير من المادة الأساسية. المادة الأساسية. تظهر الخاصية المجهرية لكسر عينة الشد في الشكل 5. انكسرت عينة الشد في موقع المادة الأساسية، والتي ترتبط بأقل قيمة صلابة في هذه المنطقة. مسار الكسر حوالي 45 درجة لاتجاه التوتر. يتكون شكل الكسر بشكل أساسي من الدمامل، لكن حجم وعمق الدمامل صغير نسبيًا، مما يشير إلى أن الكسر يظهر بشكل أساسي خصائص الكسر البلاستيكي.

عدد	قوة الشد / ميغاباسكال		استطالة بعد الاستراحة/%		مكان الكسر
	قيمة واحدة	متوسط ​​القيمة	قيمة واحدة	متوسط ​​القيمة
المواد الأساسية	950		12.5		-
T-41 #	1 043	1 069	5.1	5.3	منطقة المواد الأساسية
T-42 #	1 095		5.4		منطقة المواد الأساسية