Microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-3Nb-2Zr-Mo alloy fabricated by electron beam rapid manufacturing
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摘要: 试验采用电子束熔丝快速成形方法(EBRM)制备了Ti-6Al-3Nb-2Zr-Mo合金试样，研究了EBRM Ti6321合金化学成分、显微组织、力学性能及冲击韧性. 结果表明，该合金在熔丝成形中Al元素烧损1.0%左右，且合金内部没有元素偏析. EBRM Ti6321合金显微组织为沿沉积高度方向生长、晶贯穿多个沉积层的粗大柱状晶，柱状晶内部以α片层为主. EBRM Ti6321合金x向和z向的室温抗拉强度各项异性系数为2.6%，断裂方式均为韧性断裂. x向和z向冲击韧性均不低于80 J，各向异性系数为3.1%；冲击断口有大量的韧窝，为典型的韧性断裂.Abstract: The Chemical compositions, microstructure, mechanical properties, toughness of Ti6321 alloy made by electron beam rapid manufacturing (EBRM) were studied. The 1% of Al in the solder wire was burned during the manufacturing process, and no element segregation was found. The as-built microstructures exhibit large columnar grains, which grew epitaxially along the height direction of deposits through many deposition layers. The columnar grain is mainly composed of α lamellae. As a result, the anisotropic coefficient of tensile strength is 2. 6%. Dimple are observed on fractured tensile specimens in both X and Z directions. The impact toughness of X and Z direction is not less than 80J, and the anisotropic coefficient of toughness is 2.6%. The impact fracture is typical ductile fracture, which consists of a large number of dimples.
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0. 序 言
高强铝合金在应用中常需进行焊接，采用传统熔焊方法焊接时容易产生较大的焊件变形、气孔、热应力和液化裂纹等缺陷[1-3]，影响了其应用前景. Liu等人[4]研究发现7075-T6铝合金TIG焊接头出现明显软化，热影响区软化最严重. 常丽艳、李正等人[5-6]研究发现7075铝合金激光-MIG复合焊高热输入时气孔率小，低热输入时气孔尺寸较大，气孔集中在焊缝中心，表面较少，中心部位疏松组织和气孔较多，降低了抗拉强度. Li等人[7]研究了7075-T651铝合金的搅拌摩擦焊，发现组分颗粒的重新分布和η′相的析出导致了熔核区的裂纹萌生能低，热影响区的裂纹萌生能低是由于η相的存在和组分颗粒的重新分布，η相的存在也导致接头抗拉强度降低.
与其他熔焊方法相比，变极性等离子弧焊在铝合金的焊接中具有自身的优势[8-9]. 研究也表明在焊接电流中植入脉冲，有利于细化晶粒、减小气孔及改善接头的性能[10-12].文中采用脉冲变极性等离子弧(pulse variable polarity plasma arc, PVPPA) 焊接10 mm厚7075铝合金，通过调整焊接电流和离子气流量来控制焊缝形貌，研究两种参数的变化对焊缝成形系数的影响，确定了较优的焊接参数并测试力学性能，为高强铝合金PVPPAW在生产中的应用作出了探索.
1. 试验方法
试验材料为7075-T651铝合金板材，尺寸为140 mm × 70 mm × 10 mm，焊丝为
$\phi $ 1.2 mm ER5183铝镁合金. 试验采用VPPA-300型焊接电源和PMW-300型等离子弧焊枪，保护气体和离子气体为99.9%的氩气. 焊前先清理待焊面. 焊接电流的选择如表1所示，离子气体流量选择1.8，2.0，2.2和2.4 L/min四组参数，焊接速度为0.15 m/min，送丝速度为2.0 m/min，保护气体流量为15 L/min，钨极内缩量为3 mm，正反极性时间比为21∶4. 试验中首先进行堆焊，将接头的截面打磨、抛光和腐蚀后，对比焊缝形状参数得出较优的工艺参数及焊缝成形系数，然后实施对焊，优化出最优参数，对焊缝形状参数和力学性能进行检测. 力学性能取样需去除余高. 采用Vert.A1 Axio Imager型光学显微镜观察接头显微组织.表 1 焊接电流的选择Table 1. Choice of welding currents组别 正极性电流In/A 反极性电流Ip/A A 160 200 B 180 220 C 200 240 D 220 260 E 240 280 2. 试验结果与分析
2.1 焊接电流对焊缝成形的影响
在PVPPAW过程中，焊接电流需根据板厚或熔透要求来选择. 电流较小时不能形成小孔，较大时又会因小孔过大造成熔池金属坠落. 试验采用穿孔立焊工艺，研究了不同离子气流量下焊接电流的变化对焊缝成形规律的影响.
2.1.1 离子气体流量为1.8 L/min
图1为不同焊接电流下焊缝截面形貌. 不同焊接电流对应的焊缝形状参数如表2所示. 结合图1和表2可知，当离子气流量为1.8 L/min时，随着焊接电流的增大焊缝逐渐由未穿孔向穿孔转变. 焊接电流为160 A/200 A时未能穿孔. 200 A/240 A能够穿孔，焊缝正面成形较好，但背面金属的流动性差，成形不佳. 220 A/260 A时焊缝正面成形良好，背面成形向圆弧形过渡. 240 A/280 A时焊缝的正面成形良好，但背面熔宽变宽. 如图1e所示.
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图 1 不同焊接电流的焊缝截面形貌(1.8 L/min)Figure 1. Weld cross section shape of different welding currents表 2 不同焊接电流的焊缝形状参数(1.8 L/min)Table 2. Weld shape parameters of different welding currents组别 实际熔深H/mm 正面熔宽 Wz/mm 焊缝成形系数 Wz/H 是否焊透 正面质量 背面质量 1 4.6 9.3 2.02 否 差 — 2 6.2 9.7 1.56 否 差 — 3 10 11.1 1.11 是 良好 较差 4 10 11.9 1.19 是 良好 良好 5 10 12.5 1.25 是 良好 较好 图2为不同焊接电流对焊缝形状参数的影响. 由图2可知，随着焊接电流的增大，焊缝正面熔宽逐渐增大，焊缝成形系数先减小后增大. 焊接电流为160 A/200 A时焊缝成形系数为2.02，200 A/240 A时减小为1.11. 焊接电流进一步增加，焊缝成形系数逐渐增大，220 A/260 A时为1.19，此时焊缝成形良好. 240 A/280 A时为1.25，焊缝背面熔宽明显变宽.
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图 2 焊接电流对焊缝形状参数的影响(1.8 L/min)Figure 2. Effect of welding currents on weld shape parameters2.1.2 离子气体流量为2.0 L/min
图3为不同焊接电流下焊缝截面形貌. 不同焊接电流对应的焊缝形状参数如表3所示. 结合图3和表3可知，当离子气体流量为2.0 L/min时，焊缝成形的规律与1.8 L/min时一致，焊接电流为200 A/240 A时可以实现穿孔，此时焊缝正面成形良好，背面成形较差. 随着电流的增大，焊缝背面成形向圆弧过渡，240 A/280 A时焊缝正面成形良好，背面熔宽也明显变宽，成形变差. 如图3e所示.
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图 3 不同焊接电流的焊缝截面形貌(2.0 L/min)Figure 3. Weld cross section shape of different welding currents表 3 不同焊接电流的焊缝形状参数(2.0 L/min)Table 3. Weld shape parameters of different welding currents组别 实际熔深H/mm 正面熔宽 Wz/mm 焊缝成形系数 Wz/H 是否焊透 正面质量 背面质量 1 5.1 9.7 1.9 否 差 — 2 7.8 10.2 1.31 否 差 — 3 10 11.0 1.1 是 良好 较差 4 10 11.7 1.17 是 良好 良好 5 10 12.4 1.24 是 良好 较好 图4为不同焊接电流对焊缝形状参数的影响. 由图4可知，随着焊接电流增大，焊缝正面熔宽由9.7 mm增大为12.4 mm，焊缝成形系数仍为先减小后增大. 焊接电流为160 A/200 A时焊缝成形系数为1.9，220 A/260 A时减小为1.17，此时焊缝成形良好，240 A/280 A时为1.24，焊缝背面成形变差.
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图 4 焊接电流对焊缝形状参数的影响(2.0 L/min)Figure 4. Effect of welding currents on weld shape parameters2.1.3 离子气体流量为2.2 L/min
图5为不同焊接电流下焊缝截面形貌. 不同焊接电流对应的焊缝形状参数如表4所示. 结合图5和表4可知，当离子气体流量为2.2 L/min，焊接电流为较小的160 A/200 A时仍未穿孔，如图5a所示. 180 A/220 A可实现穿孔，但背面出现咬边，随着焊接电流的增大，焊缝背面成形向圆弧过渡. 240 A/280 A时焊缝的背面熔宽明显变宽并出现回吸现象，如图5e所示.
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图 5 不同焊接电流的焊缝截面形貌(2.2 L/min)Figure 5. Weld cross section shape of different welding currents表 4 不同焊接电流的焊缝形状参数(2.2 L/min)Table 4. Weld shape parameters of different welding currents组别 实际熔深H/mm 正面熔宽Wz/mm 焊缝成形系数 Wz/H 是否焊透 正面质量 背面质量 1 5.7 9.8 1.72 否 差 — 2 10 10.4 1.04 是 差 差 3 10 10.9 1.09 是 良好 良好 4 10 11.6 1.16 是 良好 良好 5 10 12.2 1.22 是 良好 差 图6为不同焊接电流对焊缝形状参数的影响. 由图6可知，随着焊接电流增大，焊缝正面熔宽逐渐增大，焊接电流为160 A/200 A时焊缝成形系数为1.72，此时仍未能穿孔. 180 A/220 A时减小为1.04，此时能够穿孔. 220 A/260 A时增大为1.16，焊缝成形较佳. 240 A/280 A时为1.22，背面成形变差.
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图 6 焊接电流对焊缝形状参数的影响(2.2 L/min)Figure 6. Effect of welding currents on weld shape parameters2.1.4 离子气体流量为2.4 L/min
图7为不同焊接电流下焊缝截面形貌. 不同焊接电流对应的焊缝形状参数如表5所示. 结合图7和表5可知，当离子气体流量为2.4 L/min，焊接电流为180 A/220 A时可实现穿孔，但由于热量不足且离子气体流量过大造成切割现象. 220 A/260 A时焊缝正面、背面成形良好，240 A/280 A时焊缝的背面熔宽过大且出现回吸现象，如图7e所示.
表 5 不同焊接电流的焊缝形状参数(2.4 L/min)Table 5. Weld shape parameters of different welding currents组别 实际熔深H/mm 正面熔宽Wz/mm 焊缝成形系数 Wz/H 是否焊透 正面质量 背面质量 1 6.7 9.9 1.48 否 差 — 2 10 10.1 1.01 是 差 差 3 10 10.7 1.07 是 良好 良好 4 10 11.5 1.15 是 良好 良好 5 10 12.2 1.22 是 良好 差 ![]()
图 7 不同焊接电流的焊缝截面形貌(2.4 L/min)Figure 7. Weld cross section shape of different welding currents图8为不同焊接电流对焊缝形状参数的影响. 由图8可知，随着焊接电流增大，焊缝正面熔宽由9.9 mm增加到12.2 mm. 焊接电流为160 A/200 A时焊缝成形系数为1.48，此时未穿孔，180 A/220 A时为1.01，220 A/260 A时增大为1.15，焊缝成形良好. 240 A/280 A时为1.22，焊缝背面成形变差.
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图 8 焊接电流对焊缝形状参数的影响(2.4 L/min)Figure 8. Effect of welding currents on weld shape parameters2.2 焊接电流和离子气体流量对焊缝成形系数的影响
图9为不同焊接电流及离子气体流量对焊缝成形系数的影响. 由图9可知，当离子气体流量一定时，随着焊接电流的增加，焊缝成形系数呈先减小后增大的规律性变化. 离子气体流量为1.8 L/min，焊接电流为200 A/240 A时才能穿孔且正面成形较好，背面成形稍差，焊缝成形系数为1.11. 240 A/280 A时焊缝正面、背面成形较好，焊缝成形系数为1.25. 当离子气体流量增大到2.0 L/min时，焊接电流为160 A/200 A和180 A/220 A时焊缝未能成形，200 A/240 A时才能成形，此时的焊缝成形系数为1.1. 电流继续增大后焊缝成形质量逐渐变好. 当离子气体流量为2.2 L/min和2.4 L/min，焊接电流为220 A/260 A时焊缝成形良好，240 A/ 280 A时焊缝出现“回吸”现象，背面成形又变差.
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图 9 不同焊接电流和离子气流量的焊缝成形系数Figure 9. Weld forming coefficient of different welding currents and plasma gas flow rates当焊接电流一定时，随着离子气体流量的增大，焊缝成形系数逐渐减小. 焊接电流为160 A/200 A时，由于热输入不足造成四组离子气体流量下均未穿孔. 200 A/240 A时，四种离子气体流量条件下均能穿孔，但1.8 L/min时焊缝背面成形较差，如图1c所示. 随着离子气体流量增加，焊缝背面成形向圆弧形过渡. 焊接电流继续增大，焊缝成形系数逐渐增大，焊接电流为240 A/280 A，离子气体流量为2.2 L/min时焊缝背面出现“回吸”现象，背面成形变差. 离子气体流量继续增大后“回吸”现象依然存在.
由此可知，采用PVPPA焊接7075铝合金，未穿孔时，焊缝成形系数与焊接电流和离子气体流量两者成反比；穿孔后焊缝成形系数与焊接电流成正比，与离子气体流量成反比. 当热输入达到形成稳定穿孔熔池所需的热量值后，熔池上作用的各项力则可达到平衡状态，穿孔熔池即能保持其稳定性，此时离子气体流量可以在一定的范围内变化. 相比于离子气体流量，焊接电流对焊缝成形的影响更大. 综合焊缝形貌及焊缝成形系数，得出10 mm厚7075铝合金PVPPAW较佳的焊缝成形系数区间为1.1 ~ 1.3.
2.3 较佳焊接参数的优化
综合焊接电流及离子气体流量的变化对10 mm厚7075铝合金PVPPAW焊缝成形的影响规律，优化出堆焊的较佳参数范围为正/反极性电流220 A/260 A ~ 240 A/280 A，离子气体流量1.8 L/min ~ 2.2 L/min. 在此工艺基础上优化出对焊的较佳焊接电流为250 A/290 A，离子气体流量为2.0 L/min. 该参数下焊件的焊后形貌如图10所示，焊缝成形良好，有均匀的鱼鳞纹，无明显的缺陷产生. 此时焊缝成形系数为1.25.
2.4 优化参数后焊缝的组织和性能
2.4.1 焊接接头的显微组织
图11为7075铝合金PVPPAW较佳参数的接头金相照片. 由图11可知，接头由母材区(A)、热影响区(B)、焊缝区(C)三部分组成. 母材区为典型的轧制组织，热影响区为轧制组织和部分等轴晶，焊缝中心为较粗大的树枝晶. 这与铝合金在焊接过程中的受热状态和自身的物理特性密切相关，PVPPAW能量密度高，焊接速度快，焊缝中部温度梯度小，且长时间处于热量输入的中心，高温时间较长，晶粒长大时间充裕，所以焊缝中心为粗大的树枝晶组织. 而铝合金热导率大，冷却速度快，母材的方向是散热最快的方向，由于散热的作用造成热影响区温度升高，达到合金的再结晶温度，轧制组织发生再结晶形成了部分等轴晶. 母材由于未受到加热作用，其组织未发生明显变化.
2.4.2 焊接接头的力学性能
表6为7075铝合金母材和焊接接头的拉伸性能. 母材的抗拉强度为589.2 MPa，屈服强度为523.3 MPa，焊接接头的抗拉强度为397.9 MPa，屈服强度为332.6 MPa，接头的抗拉强度达到了母材强度的67.5%.
表 6 母材与焊接接头拉伸性能Table 6. Tensile properties of base metal and welded joint材料 抗拉强度Rm/MPa 屈服强度ReL/MPa 断裂处 7075母材 589.2 523.3 母材 焊接接头 397.9 332.6 焊缝 3. 结 论
(1)采用PVPPAW对7075铝合金中厚板进行焊接，焊缝成形系数随着焊接电流的增大先减小后增大，随着离子气流量的增大逐渐减小.
(2) 10 mm厚7075铝合金PVPPAW较佳的焊缝成形系数区间为1.1 ~ 1.3. 与离子气流量相比，焊接电流对焊缝成形的影响更大.
(3) 7075铝合金PVPPAW接头抗拉强度为397.9 MPa，达母材强度的67.5%，焊接质量较好.
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表 1 EBRM Ti6321 合金拉伸性能
Table 1 Tensile properties of EBRM Ti6321 samples
类别 抗拉强度
Rm/MPa屈服强度
Rp0.2/MPa断后伸长率
A(%)断后收缩率
Z(%)水平方向 748.7 657.7 13.3 46 竖直方向 729 642 12.7 44 各向异性 2.6% 2.3% 4.5% 4.3% 
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表 2 EBRM Ti6321室温冲击韧性
Table 2 Impact toughness of EBRM Ti6321 samples
类别 冲击吸收能量 AKV/J 水平 83.3 竖直 86 各向异性 3.1%
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