Microstructure et propriétés des joints hybrides en alliage de titane TC4 soudés au laser-MIG

0 Préface

L'alliage de titane TC4 est un alliage de titane biphasé typique de type α+β présentant une faible densité, une résistance spécifique élevée et une excellente résistance à la corrosion. Ses performances globales supérieures le rendent largement utilisé dans divers domaines tels que l'aérospatiale, l'ingénierie maritime, l'industrie chimique pétrolière et les équipements d'armement. Le point de fusion de l'alliage de titane est élevé, la conductivité thermique est faible, le module d'élasticité est faible et l'activité à haute température. est fort. Le traitement de soudage peut facilement entraîner une diminution de la plasticité du joint, une fragilisation du joint, etc., affectant gravement les performances de service du joint en alliage de titane.

À l'heure actuelle, le soudage des alliages de titane utilise principalement des méthodes telles que le soudage au gaz inerte au tungstène, le soudage à l'arc au tungstène, le soudage par faisceau d'électrons et la soudure au laserLe soudage au gaz inerte au tungstène et le soudage à l'arc au gaz tungstène sont simples à utiliser, peu coûteux et flexibles. Cependant, ils ont une faible densité de source de chaleur et une vitesse de soudage lente, ce qui entraîne des problèmes tels qu'un apport thermique important, une déformation importante et une faible efficacité de soudage. Bien que le soudage par faisceau d'électrons puisse éviter le problème de fragilisation des joints en étant effectué dans un environnement sous vide, offrant une meilleure qualité de joints soudés, son application généralisée est entravée en raison des limitations de la taille des composants à souder. Le soudage au laser a une énergie concentrée et une zone affectée thermiquement étroite, et il n'est pas limité par la taille des composants. Cependant, le cordon de soudure présente une mauvaise tolérance à l'espace et à la forme de la rainure, ce qui entraîne des exigences de précision élevées pour le gabarit et le dispositif de fixation.

Par conséquent, cet article étudie systématiquement la microstructure, la distribution de dureté, les propriétés de traction et les propriétés de corrosion électrochimique du joint soudé hybride laser-MIG en alliage de titane TC3 de 4 mm d'épaisseur. Il fournit des références et des leçons pour l’application de la technologie de soudage hybride laser-MIG dans la fabrication du soudage des alliages de titane.

1 Matériels et méthodes de test

1.1 Matériel d'essai

L'expérience a utilisé des plaques d'alliage de titane TC4 de 4 mm d'épaisseur, traitées dans une rainure en forme de I, sans laisser d'espace dans le cordon de soudure. Le matériau d'apport utilisé était un fil de soudage en alliage de titane TC1.2 de 4 mm. La composition chimique du matériau de base expérimental et du matériau de remplissage est présentée dans le tableau 1. Avant soudage, le film d'oxyde sur la surface du matériau en alliage de titane a été éliminé par meulage mécanique, puis les taches d'huile sur la surface de l'alliage de titane ont été éliminées par essuyage avec de l'acétone.

Tableau 1 Composition chimique du matériau de base et du fil d'apport (wt.%）

Matières	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	Autres
matériel de base	matrice	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
Fil de soudage	matrice	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 Méthode de soudage

L'expérience a utilisé un laser à disque TRUMPF TruDisk 16003, d'une longueur d'onde de 1.06 μm ; l'alimentation électrique pour le soudage à l'arc utilisait un FRONIUS TPS 5000 Machine de soudageLe procédé de soudage utilise une méthode de couplage de source de chaleur avec le laser à l'avant et l'arc à l'arrière. L'angle entre le laser et la plaque de test était de 85°, et l'angle entre le pistolet de soudage et la plaque d'essai était à 60°. La distance entre les sources de chaleur était de 3 mm. Pour éviter l'oxydation de la surface de la soudure, l'arrière et l'avant de la soudure sont protégés avec du gaz argon de haute pureté. Le débit du gaz de protection sur la face avant de la soudure est de 50 L/min et sur la face arrière de la soudure est de 20 L/min. Le schéma du dispositif de soudage composite à arc laser et de gaz de protection est présenté dans Figure 1. Les paramètres optimisés du processus de soudage sont présentés dans le tableau 2.

(a)Dispositifs et méthodes de soudage

（b)Dispositif de protection contre le gaz

Fig. 1 Dispositif de gaz protecteur et schéma de principe du soudage hybride laser-MIG

Vitesse de soudage/(m·min-1)	Puissance laser/kW	Courant de soudage/A	Diamètre du spot/mm	Défocalisation/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

Tableau 2 Paramètres de soudage hybride laser-MIG optimisés

1.3 Méthodes d'essai

Utilisation du microscope vidéo tridimensionnel KEYENCE VHX-1000E pour observer la morphologie macroscopique et la structure microscopique du joint soudé ; la répartition de la dureté du joint soudé est mesurée par le micro-testeur de dureté FM-700 avec une charge de charge de 200 gf et un temps de maintien de 15 secondes. Les propriétés de traction du joint soudé ont été testées avec la machine d'essai électronique universelle WDW-300E, et la vitesse de chargement en traction était de 2 mm/min. À l'aide d'un poste de travail électrochimique, les courbes de polarisation du matériau de base et des joints soudés sont testées avec un calomel. électrode et une électrode de platine comme électrode de référence et électrode auxiliaire ; à l'aide du microscope électronique à balayage ZEISS SUPRA55, observez la morphologie microscopique de la fracture de l'échantillon de traction. La position métallographique et de coupe de l'éprouvette de traction et la taille de l'éprouvette de traction sont illustrées à la figure 2.

(a)Positions d'échantillonnage des éprouvettes métallographiques et de traction

(b) Dimensions des éprouvettes de traction

Fig. 2 Diagrammes schématiques des positions d'échantillonnage et de la taille de l'éprouvette de traction

2 Résultats des tests et analyse

2.1 Macromorphologie et microstructure des joints soudés

La morphologie macroscopique et les caractéristiques de structure microscopique du joint soudé hybride laser-MIG en alliage de titane TC4 sont illustrées à la figure 3. Les résultats des tests montrent que l'avant et l'arrière de la soudure sont de bonne qualité, sans défauts de soudage évidents. La surface de la soudure semble être blanc argenté, comme le montrent les figures 3a et 3b ; la section transversale de la soudure ne présente pas de défauts évidents tels que des pores, une non-fusion et une contre-dépouille, comme le montre la figure 3c. la structure microscopique du matériau de base en alliage de titane TC4 est équiaxe phase α + phase β ; la phase β est uniformément répartie autour des joints de grains de la phase α, comme le montre la figure 3d. La microstructure au centre de la soudure est principalement composée de gros cristaux colonnaires de phase β. Les joints de grains des cristaux en forme de colonne sont intacts et clairs, et l'intérieur des joints de grains contient de la martensite α' fine en forme de panier entrelacée, comme le montre la figure 3e.

(a) Formation de la face avant de la soudure ; (b) Formation de l'arrière de la soudure ; (c) Formation de la section transversale de la soudure ; (d) Structure du métal de base ;
(e) Structure du centre de la soudure ; (f) Structure de la zone à gros grains de la zone affectée thermiquement ; (g) Microstructure de la zone à grains fins dans la zone affectée thermiquement

Fig. 3 Apparences soudées et caractéristiques de microstructure du joint soudé hybride laser-MIG en alliage de titane TC4

Cela est principalement dû au fait que pendant le processus de soudage, lorsque le métal fondu est chauffé au-dessus de la température du point de transition de phase, il refroidit rapidement. Les éléments d'alliage n'ont pas le temps de diffuser, provoquant la transformation de la phase β à haute température en phase α sans temps suffisant pour la diffusion, et conduisant ainsi à la transformation non diffusive, c'est-à-dire la martensite α' générée par cisaillement.La zone affectée thermiquement comprend deux zones : la zone à gros grains et la zone à grains fins. La zone à gros grains est proche de la ligne de fusion, tandis que la zone à grains fins est proche du matériau de base. La microstructure de la zone affectée thermiquement se compose principalement de phase α équiaxiale + phase β + martensite α'. La distribution de ces phases n'est pas uniforme, avec des grains plus gros dans la zone à gros grains près de la ligne de fusion. La martensite α' en forme d'aiguille est relativement plus grande et plus dense, tandis que les grains dans la zone à grains fins près du matériau de base sont plus petite et la martensite α' en forme d'aiguille est relativement moindre, comme le montrent les figures 3f et 3g, principalement parce que la zone affectée par la chaleur, éloignée de la ligne de fusion, est moins affectée par la source de chaleur et a un refroidissement relativement plus lent. vitesse, et moins de transformations de phase β en martensite. De plus, le temps de séjour est relativement plus court à des températures élevées, ce qui diminue à la fois la propension et la cinétique de croissance des grains.

2.2 Répartition de la dureté

La distribution de microdureté du joint de soudure composite laser-MIG en alliage de titane TC4 est illustrée à la figure 4. Les résultats des tests montrent que la valeur de dureté dans la zone de soudure est la plus élevée, suivie par la zone affectée thermiquement, la zone de matériau de base ayant la valeur de dureté la plus basse. Il a également été constaté que la dureté de la zone à gros grains dans la zone affectée thermiquement est supérieure à celle de la zone à grains fins. En effet, une transformation de phase martensitique se produit dans la zone de soudure, entraînant une grande quantité de structures martensitiques. Les nombreuses dislocations au sein de la martensite jouent un rôle de renforcement. Pendant ce temps, une transformation martensitique partielle se produit dans la zone affectée thermiquement, et la quantité de martensite plus proche du côté de la ligne de fusion est supérieure à celle du côté du matériau de base.

Fig. 4 Répartition de la microdureté du joint hybride en alliage de titane TC4 soudé au laser-MIG

2.3 Propriétés de traction

Les résultats des tests de traction du joint soudé composite laser-MIG en alliage de titane TC4 sont présentés dans le tableau 3. Les résultats montrent que la résistance à la traction moyenne du joint soudé hybride laser-MIG en alliage de titane TC4 est de 1069 MPa, l'allongement moyen après rupture est 5.3 %, et les échantillons se sont tous cassés dans la zone du matériau de base près de la zone affectée par la chaleur. Par rapport au matériau de base, la résistance à la traction du joint soudé est supérieure à celle du matériau de base, mais son allongement après rupture est nettement inférieur à celui du matériau de base. matériel de base. La caractéristique microscopique de la rupture de l'échantillon de traction est illustrée à la figure 5. L'échantillon de traction s'est cassé à l'emplacement du matériau de base, ce qui est lié à la valeur de dureté la plus basse dans cette zone. Le chemin de fracture est d'environ 45° par rapport à la direction de tension. La morphologie de la fracture est principalement composée de fossettes, mais la taille et la profondeur des fossettes sont relativement petites, ce qui indique que la fracture présente principalement des caractéristiques de fracture plastique.

nombre	Résistance à la traction / MPa		Allongement après rupture/%		emplacement de la fracture
	valeur unique	valeur moyenne	valeur unique	valeur moyenne
matériel de base	950		12.5		-
T-41#	+1	+1	5.1	5.3	Zone de matériau de base
T-42#	+1		5.4		Zone de matériau de base