航空造船生物醫療用TA2板材焊接接頭組織及性能研究

前言

鈦及其合金由于具有密度小、比強度高、良好的塑性和韌性及優異的耐腐蝕性，廣泛應用于航空航天、航海造船、車輛工程、生物醫療、石油化工等行業[1-5]。優良的力學性能和耐腐蝕性能使得TA2在石化行業備受青睞，在熱交換器及各種化學反應容器等產品上得到了有效的應用[6-8]。由于TA2存在易吸氫、易氧化、不易焊接等特點[9-11]，目前大多數研究主要集中在焊接方式的選擇和焊接工藝控制兩方面，而對于焊接接頭的微觀組織、力學性能及耐腐蝕性能的研究較少，因此深入研究TA2焊接接頭的微觀組織、力學性能及電化學耐蝕性能，可更好的為涉及TA2材質的工業化應用及產品生產制造提供理論借鑒及工程應用參考。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗用母材選取厚度為10mm的TA2試板，焊材選用焊絲ERTA2ELI，材料化學成分詳見表1。

1.2焊接方法及工藝參數

裝配前用化學試劑（VHF∶VHNO₃∶VH₂O=4∶17∶79）對TA2試板及焊絲ERTA2ELI進行酸洗，用水清洗干凈。焊前使用無水乙醇再次對TA2試板及焊材進行擦拭，采用TIG焊方法進行焊接，焊接過程中采用接觸式測溫儀對試件進行測溫，保證試件最大層道間溫度≤120℃，鎢極直徑Φ2.4mm，電流衰減時間4~5s，保護氣體：≥99.99%Ar，保護氣體壓力為3MPa（保護氣體、尾部保護氣體）及5MPa（背面保護氣體），提前通氣時間10~15s，延后停氣時間25~30s，其余焊接工藝參數詳見表2。

1.3試驗方法

TA2試板在焊接完成后進行射線檢測（RT）及滲透檢測（PT），未發現缺陷。使用WE-60液壓萬能材料試驗機進行拉伸試驗及彎曲試驗，使用Kroll試劑對金相試樣進行腐蝕，使用AXIOVERT200MAT金相顯微鏡對焊接接頭微觀組織進行觀察，使用NI500金屬擺錘沖擊試驗機進行焊接接頭的沖擊試驗，使用HVS-50維氏硬度計測試焊接接頭硬度，載荷98N，加載時間15s。使用Apollo300掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。使用RST5202F電化學工作站，測定母材和焊接接頭分別在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的極化曲線，得出自腐蝕電位E_corr、自腐蝕電流密度I_corr及鈍化電流密度I_pass，電極采用三電極法，參比電極為標準飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，試樣為工作電極，試驗溫度為20℃，動電位掃描，掃描速度為0.15mV/s。圖1所示為焊接接頭示意圖及截面宏觀形貌。

2、試驗結果與分析

2.1力學性能

2.1.1抗拉強度及彎曲性能

根據NB/T47014—2023《承壓設備焊接工藝評定》，分別對焊接接頭進行拉伸試驗及彎曲試驗。拉伸試驗結果顯示，試樣斷裂位置均為焊縫，焊接接頭抗拉強度分別為492MPa、480MPa，滿足母材的抗拉強度要求（≥400MPa）。焊接接頭的彎曲試驗壓頭直徑為100mm，彎曲角度為180°，面彎及背彎各2個試樣拉伸結果均合格，無裂紋，說明焊接接頭彎曲性能良好。

2.1.2沖擊性能

為了研究焊接接頭的沖擊性能，根據GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對其進行了室溫沖擊試驗，試樣尺寸為7.5mm×10mm×55mm，結果如圖2所示。

從圖2可看出，母材和熱影響區平均吸收能量為140~150J，母材的平均沖擊吸收能量高于熱影響區平均沖擊吸收能量，焊縫區域的平均沖擊吸收能量最低，為90~100J。

焊接接頭沖擊試樣斷口形貌如圖3所示。從圖3（a）中可看出，TA2母材的斷口韌窩數量多且尺寸小。從圖3（b）中發現，熱影響區的斷口也存在大量的韌窩，但相比母材區域而言，該區域的韌窩尺寸增大。相比前兩個區域，焊縫區的韌窩數量大幅度減少，韌窩的深度變淺，同時存在一定量的解理小平面，如圖3（c）所示。

2.1.3硬度

對焊接接頭的不同區域進行硬度測試，結果如圖4所示。從圖4中可看出，焊縫區域的硬度最大值為178HV1.0，高于熱影響區及母材區域的硬度最大值，母材區域的硬度最低，焊接接頭最大硬度值與最小硬度值的差值為14HV1.0。

2.2顯微組織

對焊接接頭進行微觀組織觀察，結果如圖5所示。從圖5（a）可看出，TA2母材的組織為等軸α相，晶粒尺寸較小，分布均勻。從圖5（b）可發現，熱影響區組織為粗大的α相和不規則鋸齒狀α相。相比母材晶粒的粗化，在一定程度上惡化了該區域的性能。在圖5（c）中，發現焊縫組織中存在針狀馬氏體（α′相），該馬氏體是高溫β相以很快的冷卻速度冷卻下來，以非擴散形式轉變成的過飽和α相，這種馬氏體不具備鋼中馬氏體那樣顯著的強化作用，但也具有一定的強化作用。因此，馬氏體的存在使得焊縫區域的沖擊性能下降，硬度升高。

2.3電化學腐蝕

為研究TA2母材和焊接接頭分別在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的電化學腐蝕性能，對TA2母材和TA2焊接接頭分別進行電化學腐蝕試驗，極化曲線如圖6所示，自腐蝕電位E_corr、自腐蝕電流密度I_corr及鈍化電流密度I_pass見表3。

從圖6可看出，TA2母材和TA2焊接接頭均具有較寬的穩定鈍化電位，說明鈍態穩定，在兩種溶液中均具有良好的耐腐蝕性。從表3可看出，在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材自腐蝕電位E_corr大于TA2焊接接頭的自腐蝕電位E_corr，對于自腐蝕電流I_corr而言，TA2母材小于TA2焊接接頭，TA2母材鈍化電流密度I_pass小于TA2焊接接頭的鈍化電流密度I_pass。相比自腐蝕電位Ecorr及自腐蝕電流密度I_corr，鈍化電流密度I_pass是更為重要的參數，鈍化電流密度I_pass越小，鈍化膜對腐蝕介質的屏蔽能力越強，鈍化膜的溶解速度越小，耐腐蝕性能越強[12-13]，同時自腐蝕電位E_corr越負，自腐蝕電流I_corr越大，材料發生電化學腐蝕的傾向越大[14-15]，因此可得出，在上述兩種溶液中，TA2母材電化學腐蝕性能優于TA2焊接接頭的電化學腐蝕性能。相比母材，熱影響區α相晶粒粗大，焊縫區域存在針狀馬氏體，晶界缺陷較多，容易先發生腐蝕，最終導致TA2母材電化學腐蝕性能優于TA2焊接接頭的電化學腐蝕性能。

3、結論

（1）TA2板材焊接接頭經無損檢測未發現焊接缺陷，焊接接頭抗拉強度為492MPa、480MPa；彎曲性能良好。

（2）TA2母材和熱影響區平均吸收能量140~150J，母材的平均沖擊吸收能量高于熱影響區平均沖擊吸收能量，焊縫區域平均沖擊吸收能量最低，90~100J；TA2焊接接頭中焊縫區域的最高硬度值178HV1.0，高于熱影響區及母材區域的最高硬度值，母材區域的硬度值最低，164HV1.0。

（3）TA2母材組織為等軸α相，熱影響區組織為粗大的α相+不規則鋸齒狀α相，焊縫組織中存在針狀馬氏體（α′相）。

（4）相比TA2熱影響區，TA2母材區的沖擊斷口韌窩數量較多且尺寸較小。焊縫區的韌窩數量少，深度淺，同時存在一定量的解理小平面。

（5）在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材電化學腐蝕性能優于TA2焊接接頭電化學腐蝕性能。

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作者簡介：高成龍 （1988—），男，高級工程師，碩士研究生，主要從事電站鍋爐、壓力容器及核設備的焊接工藝研究工作。

收稿日期：2023-08-08

修改返回日期：2024-03-15

編輯：袁雪婷