7715D高溫鈦合金板材的焊接性能研究

一、前言

　　高溫鈦合金具有比強度高、耐高溫性能好和抗腐蝕性能強的特點，在航天航空領域有大量的應用。隨著國家航天戰略的啟動，對材料要求不斷提高，鈦合金領域的研發人員進行了很多研究。滿足國家需求的同時，使我國在高溫鈦合金方面有了巨大的突破。

　　7715 系列是我國為滿足航空航天材料方面的需求而自主研發的一個鈦合金系列，從7715A 發展至7715D 已有30 余年的歷史，其應用極限使用溫度達600℃（使用溫度高于550℃的鈦合金被稱為高溫鈦合金）。由于其較高的使用溫度以及優良的性能，航天器件的設計師們十分愿意在他們的產品上使用該合金。

　　7715系列已為我國航天衛星、神舟系列等國家重點工程項目做出了卓越的貢獻。

　　7715D是這個系列中為航天開發的最新也是性能最優越的鋼種，其棒材、餅材現已批量供貨。隨著航天需求的不斷增大，板材必不可少，本文就是對7715D板材的焊接性能進行研究與探討，為將來的板材生產打下基礎。

二、材料制備及試驗方法

　　7715D 高溫鈦合金的名義成分為Ti-6Al-3Sn-2Zr-2Mo-2Nb-微量Si 及Ce。選用一級海綿鈦及和Ti-Sn、Al-Mo、Al-Nb、Al-Ce 中間合金、海綿Zr及結晶Si混合，充分攪拌均勻后壓制成電極，經過等離子焊接，進行三次真空自耗熔煉，得到直徑為Φ760mm 的鑄錠，鑄錠經適當的溫度在快鍛開坯，用55mm 厚,195mm寬的鍛造坯料，再在適當溫度下熱軋至δ3mm 的板材。對板材進行熱處理后進行組織觀察，并進行室溫、450℃、550℃、650℃下的拉伸性能測試。然后采用電子束焊接方法對7715D 鈦合金板狀試樣進行對接焊，再在室溫、450℃、550℃、650℃下進行拉伸試驗以測試其焊接性能。試樣形狀為35×170mm 的板材、標距50mm（見圖1）

三、試驗結果與分析

3.1 7715D 鈦合金熱軋板材組織和性能

　　通過觀察高倍組織可知，7715D 高溫鈦合金δ3mm 熱軋板材組織較為均勻，排列較為有序，主要由轉變β組織（針狀α 相）和一定數量的初生α相構成（見圖2（a）、圖2（b））。在經過雙重熱處理后，組織形貌發生變化，初生α相球化且略有減少，β轉變組織增加；同時改善了組織定向有序排列的情況（見圖2（c）、圖2（d））。

圖2 7715D 熱軋板材組織（δ3mm） （a）熱軋態100× （b）熱軋態500× （c）熱處理后100× （d）熱處理后500×

　　一般而言，雙相鈦合金中分為魏氏組織、網籃狀組織、等軸α組織和混合組織四種常見組織。7715D 鈦合金熱軋板材即屬于混合組織，這種組織兼有其他幾種組織的優點，所以經過組織觀察我們判斷它應該具有較好的力學性能。通過試驗，也證明了這個推斷，結果如表1所示。

　　隨著試驗溫度的升高，7715D鈦合金板材的抗拉強度和屈服強度均降低，延伸率增加。在550℃時其抗拉強度可達到789Mpa，屈服強度達到629Mpa,延伸率有24%。在保持較高強度的同時，仍能有較好的塑性，表現出了較好的力學性能（高溫拉伸試驗后的試樣見圖3）。

　　采用電子束焊接方法對7715D 高溫鈦合金板狀試樣進行對接焊，然后再在萬能力學拉伸試驗機上進行室溫、450℃、550℃和650℃等不同溫度下的拉伸性能測試（高溫拉伸后的焊接試樣見圖4）。分析表2的結果可知，同7715D 高溫鈦合金板材一樣，其板材焊接接頭的強度也隨著溫度的升高逐漸降低。從表中還可發現，抗拉強度在550℃時仍有732MPa ，這與板材在550℃下的抗拉強度很接近并且不論在何種試驗溫度下，7715D 高溫鈦合金板材電子束焊接接頭強度系數均大于0.9。這表現出了7715D高溫鈦合金具有良好的自焊性能。

試驗溫度（℃） σb（MPa）

室溫 　　           1205
450℃ 　   　　 816
550℃ 　   　　 732
650℃         　　 514

表 2 7715D 高溫鈦合金板材焊接性能

四、結論

　　1.7715D高溫鈦合金板材具有均勻的α+β雙相混合型組織，在室溫和高溫條件下有比較理想的力學性能；

　　2 7715D 高溫鈦合金板材電子束焊接接頭強度系數均大于0.9，具有較好的自焊性能。