摘要
钛合金比强度高、密度小,且具有良好的耐蚀性和生物相容性等优点,被誉为21世纪崛起的第三金属,已被广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医学等重大领域.随着工业制造现代化进程的快速发展,对装备的研发与生产提出了更高要求,传统焊接方法因能量分散、穿透力弱、效率低等缺点难以满足特殊零部件的加工需求,激光焊接凭借其能量密度高、焊接热影响区窄、效率高等优势而得到广泛应用.激光焊接过程中,复杂的焊接热循环引起各区域非平衡转变,造成显微组织的梯度分布.通过调节激光工艺参数来优化显微组织从而改善焊接接头的性能,是使钛合金焊接部件满足服役条件,确保工程安全的可行方法. 通过调节热输入制备了TA1钛合金激光焊接接头,研究了热输入对各区域显微组织演变、力学性能及耐蚀性的影响,探究了焊接接头的腐蚀机理及影响耐蚀性的主要因素.结果表明,焊缝(FZ)的显微组织由纵横交错的α''马氏体和层片状α''马氏体组成,热影响区(HAZ)的显微组织为锯齿状α相.随着热输入的升高,FZ中α''马氏体的宽度增加,层片状α''马氏体的占比增大,而HAZ的显微组织没有明显变化.焊接接头的力学性能取决于热输入的大小,随着热输入的升高,显微硬度和抗拉强度降低,延伸率增大.在唾液模拟溶液中,HAZ的耐蚀性优于母材(BM)但差于FZ,热输入的改变主要影响FZ的耐蚀性,随着热输入的升高,FZ的耐蚀性先升高后下降,这归因于晶粒尺寸和显微组织形态的改变.通过二元线性回归分析,得出α''马氏体的宽度是影响耐蚀性的主要因素. 研究了不同热输入下,TC4钛合金激光焊接接头各区域显微组织演变和性能差异.结果表明,FZ的显微组织为α''马氏体,热输入改变了显微组织的尺寸和形态;当热输入较小时,HAZ发生完全马氏体转变,其显微组织为α''马氏体,随着热输入的升高,HAZ发生了部分块状转变,形成块状α相,其占比与热输入呈正相关.在3.5wt.%NaCl溶液中,焊接接头的耐蚀性规律为:FZ＞HAZ＞BM,随着热输入的升高,FZ的耐蚀性先升高后降低,这归因于晶粒尺寸和显微组织形态的改变;HAZ的耐蚀性则与热输入呈负相关,这是由于块状α相随着热输入的升高而增多,增强了电偶腐蚀效应. 采用连续波(CW)模式和不同脉冲频率(5,50,500Hz)的脉冲波(PW)模式制备了TC4钛合金激光焊接接头,探究了脉冲频率对显微组织演变的影响机理,通过传统电化学和局部电化学交流阻抗谱的方法测试了各区域在3.5wt.%NaCl溶液中的耐蚀性.结果表明,PW模式能够细化原β晶的尺寸,随着脉冲频率的增大,晶粒细化的作用先升高后降低,当脉冲频率为50Hz时,原β晶尺寸仅为CW试样的1/4.43.FZ的显微组织为α''马氏体,HAZ的显微组织为α''马氏体和少量块状α相,脉冲频率的改变主要影响其晶粒尺寸.PW模式增强了焊接接头FZ的择优取向,降低了平均局部取向差(KAM)值,最大织构强度和最小KAM值分别出现在500Hz和50Hz时.PW模式显著增强了FZ的耐蚀性,随着脉冲频率的升高,耐蚀性先升高后降低,当脉冲频率为50Hz时,FZ的电荷转移电阻(Rct)值和腐蚀电流密度(icorr)分别约为CW试样的4.17倍和1/7.5.建立了数学模型来探究脉冲频率、显微组织、耐蚀性的关系,发现晶粒尺寸和KAM值是影响耐蚀性的主要因素而非晶粒取向.
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