โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของข้อต่อโลหะผสมไททาเนียม TC4 ที่เชื่อมด้วยเลเซอร์-MIG

0 คำนำ

โลหะผสมไทเทเนียม TC4 เป็นโลหะผสมไทเทเนียมเฟสสองเฟสชนิด α+β ทั่วไปที่มีความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงจำเพาะสูง และความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม ประสิทธิภาพโดยรวมที่เหนือกว่าทำให้ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ วิศวกรรมทางทะเล อุตสาหกรรมเคมีปิโตรเลียม และอุปกรณ์อาวุธ จุดหลอมเหลวของโลหะผสมไททาเนียมสูง ค่าการนำความร้อนต่ำ โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ และกิจกรรมที่อุณหภูมิสูง มีความแข็งแกร่ง กระบวนการเชื่อมสามารถนำไปสู่การลดความเป็นพลาสติกของข้อต่อ การเปราะของข้อต่อ ฯลฯ ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อประสิทธิภาพการบริการของข้อต่อโลหะผสมไทเทเนียม

ปัจจุบันการเชื่อมโลหะผสมไททาเนียมส่วนใหญ่ใช้วิธีการต่างๆ เช่น การเชื่อมด้วยก๊าซเฉื่อยทังสเตน การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส การเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอน และ การเชื่อมด้วยเลเซอร์.การเชื่อมก๊าซเฉื่อยทังสเตนและการเชื่อมอาร์กทังสเตนก๊าซนั้นใช้งานง่าย ต้นทุนต่ำ และมีความยืดหยุ่น อย่างไรก็ตาม มีความหนาแน่นของแหล่งความร้อนต่ำและความเร็วในการเชื่อมช้า นำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การป้อนความร้อนขนาดใหญ่ การเสียรูปอย่างรุนแรง และประสิทธิภาพการเชื่อมต่ำ แม้ว่าการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการเปราะของข้อต่อได้โดยการดำเนินการในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ให้ข้อต่อเชื่อมคุณภาพสูงขึ้น การใช้งานอย่างกว้างขวางถูกขัดขวางเนื่องจากข้อจำกัดเกี่ยวกับขนาดของส่วนประกอบการเชื่อม การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีพลังงานเข้มข้นและมีโซนรับความร้อนที่แคบ และไม่จำกัดด้วยขนาดของส่วนประกอบ อย่างไรก็ตาม รอยเชื่อมมีความทนทานต่อช่องว่างและรูปแบบของร่องได้ไม่ดี ส่งผลให้ต้องมีข้อกำหนดความแม่นยำสูงสำหรับจิ๊กและฟิกซ์เจอร์

ดังนั้น บทความนี้จึงศึกษาโครงสร้างจุลภาค การกระจายความแข็ง คุณสมบัติแรงดึง และคุณสมบัติการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าของข้อต่อเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์โลหะผสมไททาเนียม TC3 หนา 4 มม. หนา XNUMX มม. โดยให้ข้อมูลอ้างอิงและบทเรียนเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์-MIG ในการผลิตการเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียม

1 วัสดุและวิธีการทดสอบ

1.1 วัสดุทดสอบ

การทดลองใช้แผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4 หนา 4 มม. ขึ้นรูปเป็นร่องรูปตัว I โดยไม่ทิ้งช่องว่างในตะเข็บเชื่อม วัสดุตัวเติมที่ใช้คือลวดเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียม TC1.2 ขนาด 4 มม. องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุฐานทดลองและวัสดุตัวเติมแสดงอยู่ในตารางที่ 1 ก่อนหน้า การเชื่อมโลหะฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมถูกกำจัดออกโดยการบดเชิงกล จากนั้นคราบน้ำมันบนพื้นผิวของโลหะผสมไทเทเนียมจะถูกกำจัดออกโดยการเช็ดด้วยอะซิโตน

ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุฐานและลวดตัวเติม (wt-

วัสดุ	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	ผลิตภัณฑ์อื่นๆ
วัสดุฐาน	เมทริกซ์	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
ลวดเชื่อม	เมทริกซ์	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 วิธีการเชื่อม

การทดลองใช้ดิสก์เลเซอร์ TRUMPF TruDisk 16003 ที่มีความยาวคลื่น 1.06 μm; แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อมอาร์กใช้ FRONIUS TPS 5000 เครื่องเชื่อมกระบวนการเชื่อมใช้วิธีการเชื่อมต่อแหล่งความร้อนโดยมีเลเซอร์อยู่ด้านหน้าและส่วนโค้งอยู่ด้านหลัง มุมระหว่างเลเซอร์กับแผ่นทดสอบคือ 85° และมุมระหว่าง ปืนเชื่อม และแผ่นทดสอบคือ 60° ระยะห่างระหว่างแหล่งความร้อน 3 มม. เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวรอยเชื่อม ทั้งด้านหลังและด้านหน้าของรอยเชื่อมจึงได้รับการปกป้องด้วยก๊าซอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง อัตราการไหลของก๊าซป้องกันที่ด้านหน้าของการเชื่อมคือ 50 ลิตร/นาที และที่ด้านหลังของการเชื่อมคือ 20 ลิตร/นาที แผนผังของการเชื่อมคอมโพสิตด้วยเลเซอร์อาร์กและอุปกรณ์ป้องกันก๊าซแสดงอยู่ใน รูปที่ 1 พารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมที่ได้รับการปรับปรุงจะแสดงไว้ในตารางที่ 2

(ก) อุปกรณ์และวิธีการเชื่อม

(ข) อุปกรณ์ป้องกันแก๊ส

รูปที่ 1 อุปกรณ์ป้องกันแก๊สและแผนผังของการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์-MIG

ความเร็วในการเชื่อม/(m·min-1)	กำลังเลเซอร์/กิโลวัตต์	กระแสเชื่อม/ก	เส้นผ่านศูนย์กลางจุด/มม	พร่ามัว/มม
2.5	4.0	127	0.6	+2

ตารางที่ 2 พารามิเตอร์การเชื่อมไฮบริดแบบเลเซอร์-MIG ที่ปรับให้เหมาะสม

1.3 วิธีทดสอบ

การใช้กล้องจุลทรรศน์วิดีโอสามมิติของ KEYENCE VHX-1000E เพื่อสังเกตสัณฐานวิทยาขนาดมหึมาและโครงสร้างระดับจุลทรรศน์ของรอยเชื่อม การกระจายความแข็งของรอยเชื่อมวัดโดยเครื่องทดสอบความแข็งระดับไมโคร FM-700 ที่มีโหลด 200 gf และ จับเวลาได้ 15 วินาที ทดสอบคุณสมบัติแรงดึงของรอยเชื่อมด้วยเครื่องทดสอบอเนกประสงค์อิเล็กทรอนิกส์ WDW-300E และความเร็วในการรับแรงดึงอยู่ที่ 2 มม./นาที เส้นโค้งโพลาไรเซชันของวัสดุฐานและรอยเชื่อมได้รับการทดสอบด้วยคาโลเมลโดยใช้สถานีงานเคมีไฟฟ้า อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรดแพลทินัมเป็นอิเล็กโทรดอ้างอิงและอิเล็กโทรดเสริม การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ZEISS SUPRA55 สังเกตสัณฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์ของการแตกหักของชิ้นงานทดสอบแรงดึง ตำแหน่งทางโลหะวิทยาและการตัดของชิ้นงานทดสอบแรงดึงและขนาดของชิ้นงานทดสอบแรงดึงแสดงในรูปที่ 2

(ก) ตำแหน่งการเก็บตัวอย่างชิ้นงานโลหะและแรงดึง

(ข) ขนาดชิ้นงานทดสอบแรงดึง

รูปที่ 2 แผนผังของตำแหน่งการเก็บตัวอย่างและขนาดชิ้นงานทดสอบแรงดึง

2 ผลการทดสอบและการวิเคราะห์

2.1 มหภาคและโครงสร้างจุลภาคของรอยเชื่อม

สัณฐานวิทยาขนาดมหภาคและคุณสมบัติโครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์ของข้อต่อเชื่อมไฮบริดผสมเลเซอร์-MIG โลหะผสมไททาเนียม TC4 แสดงในรูปที่ 3 ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าด้านหน้าและด้านหลังของแนวเชื่อมมีคุณภาพดี โดยไม่มีข้อบกพร่องในการเชื่อมที่ชัดเจน พื้นผิวของรอยเชื่อมดูเหมือนจะเป็นสีขาวเงิน ดังแสดงในรูปที่ 3a และ 3b หน้าตัดของรอยเชื่อมไม่มีข้อบกพร่องที่ชัดเจน เช่น รูพรุน การไม่หลอมเหลว และการตัดส่วนล่าง ดังแสดงในรูปที่ 3ค โครงสร้างจุลทรรศน์ของวัสดุฐานโลหะผสมไทเทเนียม TC4 นั้นเท่ากันกับเฟสα + เฟสβ; เฟส β มีการกระจายเท่าๆ กันรอบขอบเขตเกรนของเฟส α ดังแสดงในรูปที่ 3 มิติ โครงสร้างจุลภาคที่อยู่ตรงกลางของรอยเชื่อมส่วนใหญ่ประกอบด้วยผลึกเรียงเป็นแนวเป็นแนวคอลัมน์เฟส α ขนาดใหญ่ ขอบเขตเกรนของผลึกเรียงเป็นแนวยังคงสภาพเดิมและชัดเจน และด้านในของขอบเขตเกรนประกอบด้วยมาร์เทนไซต์ α' ละเอียดที่มีลักษณะคล้ายตะกร้าที่สานต่อกัน ดังแสดงในรูปที่ 3e

(a) การก่อตัวของด้านหน้าของรอยเชื่อม (b) การก่อตัวของด้านหลังของรอยเชื่อม (c) การก่อตัวของหน้าตัดของแนวเชื่อม (d) โครงสร้างของโลหะฐาน
(e) โครงสร้างของจุดศูนย์กลางของรอยเชื่อม (ฉ) โครงสร้างของพื้นที่เนื้อหยาบของโซนที่ได้รับความร้อน (ช) โครงสร้างจุลภาคของโซนเนื้อละเอียดในเขตที่ได้รับความร้อน

รูปที่ 3 ลักษณะรอยเชื่อมและลักษณะโครงสร้างจุลภาคของรอยเชื่อมไฮบริดด้วยเลเซอร์-MIG ของโลหะผสมไทเทเนียม TC4

สาเหตุหลักมาจากในระหว่างกระบวนการเชื่อม เมื่อโลหะเชื่อมถูกให้ความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิจุดเปลี่ยนเฟส โลหะจะเย็นลงอย่างรวดเร็ว ธาตุอัลลอยด์ไม่มีเวลากระจาย ส่งผลให้เฟส β ที่มีอุณหภูมิสูงเปลี่ยนเป็นเฟส α โดยไม่มีเวลาเพียงพอสำหรับการแพร่กระจาย และนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงแบบไม่แพร่กระจาย กล่าวคือ มาร์เทนไซต์ α' ที่สร้างด้วยแรงเฉือนโซนที่ได้รับความร้อนประกอบด้วย 3 พื้นที่ ได้แก่ พื้นที่เนื้อหยาบและบริเวณเนื้อละเอียด พื้นที่เนื้อหยาบอยู่ใกล้กับเส้นฟิวชัน ในขณะที่พื้นที่เนื้อละเอียดอยู่ใกล้กับวัสดุฐาน โครงสร้างจุลภาคของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนส่วนใหญ่ประกอบด้วยเฟส α ที่เท่ากัน + เฟส + α' มาร์เทนไซต์ การกระจายตัวของเฟสเหล่านี้ไม่สม่ำเสมอ โดยมีเกรนขนาดใหญ่อยู่ในโซนเกรนหยาบใกล้กับเส้นฟิวชัน มาร์เทนไซต์ที่มีลักษณะคล้ายเข็มนั้นค่อนข้างมากกว่าและหนาแน่นกว่า ในขณะที่เกรนในบริเวณที่มีเกรนละเอียดใกล้กับวัสดุฐานนั้น มีขนาดเล็กกว่าและมาร์เทนไซต์ที่มีลักษณะคล้ายเข็มα' ค่อนข้างน้อย ดังแสดงในรูปที่ 3f และรูปที่ XNUMXg สาเหตุหลักมาจากโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนซึ่งอยู่ห่างจากเส้นฟิวชันได้รับผลกระทบจากแหล่งความร้อนน้อยกว่า มีการระบายความร้อนค่อนข้างช้ากว่า ความเร็วและการแปลงเฟส β น้อยลงเป็นมาร์เทนไซต์ นอกจากนี้ ยังมีเวลาอยู่อาศัยที่อุณหภูมิสูงค่อนข้างสั้นกว่า ส่งผลให้ทั้งแนวโน้มและจลนศาสตร์สำหรับการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชลดลง

2.2 การกระจายความแข็ง

การกระจายความแข็งระดับจุลภาคของข้อต่อเชื่อมคอมโพสิตเลเซอร์-MIG โลหะผสมไททาเนียม TC4 แสดงในรูปที่ 4 ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าค่าความแข็งในโซนการเชื่อมนั้นสูงที่สุด ตามด้วยโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน โดยโซนวัสดุฐานมี ค่าความแข็งต่ำสุด นอกจากนี้ยังพบว่าความแข็งของบริเวณเกรนหยาบในบริเวณที่ได้รับความร้อนนั้นสูงกว่าโซนเกรนละเอียด เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเฟสมาร์เทนซิติกเกิดขึ้นในบริเวณรอยเชื่อม ส่งผลให้มีโครงสร้างมาร์เทนซิติกจำนวนมาก ความคลาดเคลื่อนจำนวนมากภายในมาร์เทนไซต์มีบทบาทในการเสริมสร้างความเข้มแข็ง ในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของมาร์เทนซิติกบางส่วนเกิดขึ้นในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน และปริมาณของมาร์เทนไซต์ที่อยู่ใกล้กับด้านเส้นฟิวชันมากกว่าปริมาณของด้านวัสดุฐาน

รูปที่ 4 การกระจายความแข็งระดับไมโครของข้อต่อโลหะผสมไทเทเนียม TC4 ที่เชื่อมด้วยเลเซอร์-MIG

2.3 คุณสมบัติแรงดึง

ผลการทดสอบแรงดึงของข้อต่อเชื่อมผสมเลเซอร์-MIG โลหะผสมไททาเนียม TC4 แสดงไว้ในตารางที่ 3 ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าความต้านทานแรงดึงเฉลี่ยของข้อต่อเชื่อมผสมเลเซอร์-MIG โลหะผสมไททาเนียม TC4 คือ 1069 MPa ซึ่งการยืดตัวโดยเฉลี่ยหลังจากการแตกหักคือ 5.3% และตัวอย่างทั้งหมดแตกหักในพื้นที่วัสดุหลักใกล้กับโซนที่ได้รับความร้อน เมื่อเทียบกับวัสดุฐาน ความต้านทานแรงดึงของรอยเชื่อมจะสูงกว่าวัสดุฐาน แต่การยืดตัวหลังจากการแตกหักจะต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ วัสดุฐาน ลักษณะเฉพาะของการแตกหักของตัวอย่างแรงดึงด้วยกล้องจุลทรรศน์แสดงในรูปที่ 5 ตัวอย่างแรงดึงแตกที่ตำแหน่งของวัสดุฐาน ซึ่งสัมพันธ์กับค่าความแข็งต่ำสุดในบริเวณนี้ วิถีการแตกหักจะอยู่ที่ประมาณ 45° กับทิศทางของแรงตึง สัณฐานวิทยาของการแตกหักส่วนใหญ่ประกอบด้วยลักยิ้ม แต่ขนาดและความลึกของลักยิ้มนั้นค่อนข้างเล็ก บ่งชี้ว่าการแตกหักส่วนใหญ่แสดงลักษณะการแตกหักของพลาสติก

จำนวน	ความต้านแรงดึง / MPa		การยืดตัวหลังแตกหัก/%		ตำแหน่งแตกหัก
	ค่าเดียว	ค่าเฉลี่ย	ค่าเดียว	ค่าเฉลี่ย
วัสดุฐาน	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	พื้นที่วัสดุฐาน
T-42#	1 095		5.4		พื้นที่วัสดุฐาน