Microstructuur en eigenschappen van laser-MIG hybride gelaste TC4-verbindingen van titaniumlegering

0 Voorwoord

TC4 titaniumlegering is een typische tweefasige titaniumlegering van het α+β-type met een lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en uitstekende corrosieweerstand. Door zijn superieure algehele prestaties wordt het op grote schaal gebruikt op verschillende gebieden, zoals lucht- en ruimtevaart, scheepsbouw, de aardoliechemische industrie en wapenuitrusting. Het smeltpunt van titaniumlegering is hoog, de thermische geleidbaarheid is laag, de elastische modulus is laag en de activiteit bij hoge temperaturen is sterk. Lasbewerkingen kunnen gemakkelijk leiden tot een afname van de plasticiteit van de verbindingen, verbrossing van de verbindingen, enz., waardoor de serviceprestaties van de verbinding van titaniumlegering ernstig worden beïnvloed.

Momenteel wordt bij het lassen van titaniumlegeringen voornamelijk gebruik gemaakt van methoden zoals lassen met inert gas van wolfraam, booglassen met gaswolfraam, elektronenstraallassen en laserlassenWolfraam-inertgaslassen en gaswolfraambooglassen zijn eenvoudig te bedienen, goedkoop en flexibel. Ze hebben echter een lage warmtebrondichtheid en een lage lassnelheid, wat leidt tot problemen zoals een grote warmte-inbreng, ernstige vervorming en een lage lasefficiëntie. Hoewel elektronenbundellassen het probleem van verbrossing van de verbindingen kan vermijden door het in een vacuümomgeving uit te voeren, Omdat het een hogere kwaliteit lasverbindingen biedt, wordt de wijdverbreide toepassing ervan belemmerd vanwege de beperkingen van de grootte van de lascomponenten. Laserlassen heeft geconcentreerde energie en een smalle, door warmte beïnvloede zone, en wordt niet beperkt door de grootte van de componenten. De lasnaad heeft echter een slechte tolerantie voor de opening en de vorm van de groef, wat resulteert in hoge precisie-eisen voor de mal en het bevestigingsstuk.

Daarom bestudeert dit artikel systematisch de microstructuur, hardheidsverdeling, trekeigenschappen en elektrochemische corrosie-eigenschappen van de 3 mm dikke TC4 titaniumlegering laser-MIG hybride lasverbinding. Het biedt referenties en lessen voor de toepassing van laser-MIG hybride lastechnologie bij de productie van titaniumlegeringen.

1 Testmaterialen en methoden

1.1 Testmaterialen

Bij het experiment werden 4 mm dikke platen van TC4-titaniumlegering gebruikt, verwerkt in een I-vormige groef, zonder een opening in de lasnaad achter te laten. Het gebruikte vulmateriaal was 1.2 mm TC4-titaanlegeringslasdraad. De chemische samenstelling van het experimentele basismateriaal en vulmateriaal wordt weergegeven in Tabel 1.Before lassenwerd de oxidefilm op het oppervlak van het materiaal van de titaniumlegering verwijderd door mechanisch slijpen, en vervolgens werden de olievlekken op het oppervlak van de titaniumlegering verwijderd door af te vegen met aceton.

Tabel 1 Chemische samenstelling van basismateriaal en lasdraad（wt.%）

Materiaal	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	Overig
basis materiaal	Matrix	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
Lasdraad	Matrix	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 Lasmethode

Bij het experiment werd een TRUMPF TruDisk 16003-schijflaser gebruikt, met een golflengte van 1.06 μm; de booglasstroomvoorziening maakte gebruik van een FRONIUS TPS 5000 lasmachineBij het lasproces werd gebruik gemaakt van een warmtebronkoppelingsmethode met de laser vooraan en de boog achteraan. De hoek tussen de laser en de testplaat was 85°, en de hoek tussen de laspistool en de testplaat was 60°. De afstand tussen de warmtebronnen was 3 mm. Om oxidatie van het lasoppervlak te voorkomen, worden zowel de achterkant als de voorkant van de las beschermd met zeer zuiver argongas. De stroomsnelheid van het beschermgas aan de voorkant van de las is 50 l/min en aan de achterkant van de las 20 l/min. Het schema van het laserboogcomposietlas- en beschermgasapparaat wordt weergegeven in Figuur 1. De geoptimaliseerde lasprocesparameters worden weergegeven in Tabel 2.

(a) Lasapparaten en -methoden

(b) Beschermend gasapparaat

Fig. 1 Beschermgasapparaat en schematisch diagram van laser-MIG hybride lassen

Lassnelheid/(m·min-1)	Laservermogen/kW	Lasstroom/A	Vlekdiameter/mm	Onscherp/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

Tabel 2 Geoptimaliseerde laser-MIG hybride lasparameters

1.3 testmethoden

Met behulp van de KEYENCE VHX-1000E driedimensionale videomicroscoop om de macroscopische morfologie en microscopische structuur van de lasverbinding te observeren; De hardheidsverdeling van de lasverbinding wordt gemeten door de FM-700 microhardheidstester met een belasting van 200 gf en een houdtijd van 15 seconden. De trekeigenschappen van de lasverbinding zijn getest met de elektronische universele testmachine WDW-300E en de trekbelastingssnelheid was 2 mm/min. Met behulp van een elektrochemisch werkstation worden de polarisatiecurven van het basismateriaal en de lasverbindingen getest met een calomel elektrode en een platina-elektrode als referentie-elektrode en hulpelektrode; Observeer met behulp van de ZEISS SUPRA55 scanning-elektronenmicroscoop de microscopische morfologie van de breuk van het trekmonster. De metallografische en snijpositie van het trekmonster en de grootte van het trekmonster worden weergegeven in Figuur 2.

(a) Bemonsteringsposities van metallografische en trekmonsters

(b) Afmetingen van trekmonsters

Fig. 2 Schematische diagrammen van bemonsteringsposities en afmeting van het trekmonster

2 Testresultaten en analyse

2.1 Macromorfologie en microstructuur van lasverbindingen

De macroscopische morfologie en microscopische structuurkenmerken van de TC4-laser-MIG hybride lasverbinding van titaniumlegering worden weergegeven in figuur 3. De testresultaten laten zien dat de voor- en achterkant van de las van goede kwaliteit zijn, zonder duidelijke lasfouten. Het oppervlak van de las lijkt zilverwit, zoals weergegeven in figuur 3a en 3b; de dwarsdoorsnede van de las vertoont geen duidelijke gebreken zoals poriën, niet-smelten en ondersnijding, zoals weergegeven in figuur 3c. de microscopische structuur van het basismateriaal van de TC4-titaniumlegering is gelijkassig α-fase + β-fase; de β-fase is gelijkmatig verdeeld rond de korrelgrenzen van de α-fase, zoals weergegeven in figuur 3d. De microstructuur in het midden van de las bestaat voornamelijk uit grote kolomvormige kristallen van de β-fase. De korrelgrenzen van de kolomvormige kristallen zijn intact en helder, en het binnenste van de korrelgrenzen bevat verweven mandachtige fijne α'-martensiet, zoals weergegeven in figuur 3e.

(a) Vorming van de voorkant van de las; (b) Vorming van de achterkant van de las; (c) Vorming van de dwarsdoorsnede van de las; (d) Structuur van het basismetaal;
(e) Structuur van het midden van de las; (f) Structuur van het grofkorrelige gebied van de door hitte beïnvloede zone; (g) Microstructuur van fijnkorrelige zone in door hitte beïnvloede zone

Fig. 3 Lasuiterlijk en microstructuurkarakteristieken van laser-MIG hybride lasverbinding van TC4 titaniumlegering

Dit komt vooral doordat het lasmetaal tijdens het lasproces, wanneer het wordt verwarmd tot boven de faseovergangspunttemperatuur, snel afkoelt. De legeringselementen hebben geen tijd om te diffunderen, waardoor de β-fase met hoge temperatuur overgaat in de α-fase zonder voldoende tijd voor diffusie, wat leidt tot de niet-diffusieve transformatie, dat wil zeggen het door afschuiving gegenereerde α'-martensiet.De door hitte beïnvloede zone omvat twee gebieden: het grofkorrelige gebied en het fijnkorrelige gebied. Het grofkorrelige gebied bevindt zich nabij de fusielijn, terwijl het fijnkorrelige gebied zich nabij het basismateriaal bevindt. De microstructuur van de door hitte beïnvloede zone bestaat voornamelijk uit gelijkassige α-fase + β-fase + α'-martensiet. De verdeling van deze fasen is niet uniform, met grotere korrels in de grofkorrelige zone nabij de fusielijn. De naaldachtige α'-martensiet is relatief meer en dichter, terwijl de korrels in de fijnkorrelige zone nabij het basismateriaal zijn kleiner en de naaldachtige α'-martensiet is relatief minder, zoals weergegeven in figuur 3f en figuur 3g. Dit komt voornamelijk omdat de door hitte beïnvloede zone ver weg van de fusielijn minder wordt beïnvloed door de warmtebron en een relatief langzamere koeling heeft snelheid en minder β-fasetransformaties naar martensiet. Bovendien is er een relatief kortere verblijftijd bij hoge temperaturen, waardoor zowel de neiging als de kinetiek voor korrelgroei afneemt.

2.2 Hardheidsverdeling

De microhardheidsverdeling van de TC4 titaniumlegering laser-MIG composiet lasverbinding wordt weergegeven in figuur 4. De testresultaten laten zien dat de hardheidswaarde in de laszone het hoogst is, gevolgd door de door hitte beïnvloede zone, waarbij de basismateriaalzone de laagste hardheidswaarde. Er werd ook gevonden dat de hardheid van de grove korrelzone in de door hitte beïnvloede zone hoger is dan die van de fijne korrelzone. Dit komt doordat er in de laszone een martensitische fasetransformatie plaatsvindt, resulterend in een grote hoeveelheid martensitische structuren. De talrijke dislocaties binnen het martensiet spelen een versterkende rol. Ondertussen vindt er een gedeeltelijke martensitische transformatie plaats in de door hitte beïnvloede zone, en de hoeveelheid martensiet dichter bij de kant van de smeltlijn is groter dan die aan de kant van het basismateriaal.

Afb. 4 Microhardheidsverdeling van laser-MIG hybride gelaste TC4-verbinding van titaniumlegering

2.3 Trekeigenschappen

De trekproefresultaten van de TC4 titaniumlegering laser-MIG composiet lasverbinding worden weergegeven in Tabel 3. De resultaten laten zien dat de gemiddelde treksterkte van de TC4 titaniumlegering laser-MIG hybride lasverbinding 1069 MPa is, de gemiddelde rek na breuk is 5.3%, en de monsters braken allemaal in het gebied van het moedermateriaal nabij de door hitte beïnvloede zone. Vergeleken met het basismateriaal is de treksterkte van de lasverbinding hoger dan die van het basismateriaal, maar de rek na breuk is aanzienlijk lager dan die van het basismateriaal. basis materiaal. Het microscopische kenmerk van de breuk van het trekmonster is weergegeven in Figuur 5. Het trekmonster brak ter plaatse van het basismateriaal, wat gerelateerd is aan de laagste hardheidswaarde in dit gebied. Het breukpad is ongeveer 45° ten opzichte van de spanningsrichting. De breukmorfologie bestaat voornamelijk uit kuiltjes, maar de grootte en diepte van de kuiltjes zijn relatief klein, wat aangeeft dat de breuk voornamelijk plastische breukkenmerken vertoont.

aantal	Treksterkte / MPa		Verlenging na breuk/%		breuk locatie
	enkele waarde	gemiddelde waarde	enkele waarde	gemiddelde waarde
basis materiaal	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	Basismateriaalgebied
T-42#	1 095		5.4		Basismateriaalgebied