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(diǎn)，在航天航空領(lǐng)域有大量的應用。隨著(zhù)國家航天戰略的啟動(dòng)，對材料要求不斷提高，鈦合金領(lǐng)域的研發(fā)人員進(jìn)行了很多研究。滿(mǎn)足國家需求的同時(shí)，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(mǎn)足航空航天材料方面的需求而自主研發(fā)的一個(gè)鈦合金系列，從7715A 發(fā)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(chēng)為高溫鈦合金）。由于其較高的使用溫度以及優(yōu)良的性能，航天器件的設計師們十分愿意在他們的產(chǎn)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(diǎn)工程項目做出了卓越的貢獻。
7715D是這個(gè)系列中為航天開(kāi)發(fā)的最新也是性能最優(yōu)越的鋼種，其棒材、餅材現已批量供貨。隨著(zhù)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(jìn)行研究與探討，為將來(lái)的板材生產(chǎn)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T(mén)i-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(jīng)過(guò)等離子焊接，進(jìn)行三次真空自耗熔煉，得到直徑為Φ760mm 的鑄錠，鑄錠經(jīng)適當的溫度在快鍛開(kāi)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(jìn)行熱處理后進(jìn)行組織觀(guān)察，并進(jìn)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(jìn)行對接焊，再在室溫、450℃、550℃、650℃下進(jìn)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(jiàn)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(guò)觀(guān)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(jiàn)圖2（a）、圖2（b））。在經(jīng)過(guò)雙重熱處理后，組織形貌發(fā)生變化，初生α相球化且略有減少，β轉變組織增加；同時(shí)改善了組織定向有序排列的情況（見(jiàn)圖2（c）、圖2（d））。
圖2 7715D 熱軋板材組織（δ3mm） （a）熱軋態(tài)100× （b）熱軋態(tài)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(wǎng)籃狀組織、等軸α組織和混合組織四種常見(jiàn)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(yōu)點(diǎn)，所以經(jīng)過(guò)組織觀(guān)察我們判斷它應該具有較好的力學(xué)性能。通過(guò)試驗，也證明了這個(gè)推斷，結果如表1所示。
隨著(zhù)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(shí)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(shí)，仍能有較好的塑性，表現出了較好的力學(xué)性能（高溫拉伸試驗后的試樣見(jiàn)圖3）。
采用電子束焊接方法對7715D 高溫鈦合金板狀試樣進(jìn)行對接焊，然后再在萬(wàn)能力學(xué)拉伸試驗機上進(jìn)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(jiàn)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(zhù)溫度的升高逐漸降低。從表中還可發(fā)現，抗拉強度在550℃時(shí)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(xué)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。
