Microstructure and high-temperature compression performance of the hydrogenated titanium alloy welded joint
-
摘要:
航改燃气轮机焊接修复的钛合金叶片服役于含氢环境中常发生氢脆损伤. 试验重点研究了不同置氢量的钛合金氩弧焊接头的微观组织、维氏硬度及氢作用机理、高温压缩性能. 结果表明,置氢0.12%(质量分数)焊接接头组织中析出大层片δ氢化物,其尺寸随H元素含量增加而增大,母材、热影响区及焊缝微观组织发生明显改变;置氢0.21%的硬度明显高于其它置氢量,高氢提升焊接接头硬度;低氢时氢固溶强化使α晶粒硬度略提升,高氢时氢化物析出伴随晶格体积膨胀使金属局部塑性变形产生大量位错,位错运动需绕或切过氢化物,导致α晶粒硬度明显提升. 压下量对高温压缩流变应力影响有限,再结晶软化作用主要受变形温度控制,随压下量增大,焊缝组织中层片α晶粒连同氢化物沿垂直压下方向被拉长或与压下方向呈一定角度被弯折,氢化物沿层片α晶界生长,热压缩过程中组织再结晶现象不明显.
Abstract:Titanium alloy blades repaired by welding in aero-derivative gas turbines often suffer from hydrogen embrittlement damage during service in hydrogen containing environments. The microstructure, Vickers hardness and hydrogen action mechanism, high-temperature compression performance of titanium alloy argon arc welded joints with different hydrogen content were studied in detail. The results show that large lamellar of δ hydride precipitated from the 0.12% H welded joint, with the increase of hydrogen content, the size of the hydride increased, and the microstructure of base metal, heat affected zone and weld zone evolved significantly. The hardness value of the 0.21% H was significantly higher than that of other hydrogen levels, and high hydrogen enhanced the hardness of the welded joint. The H solid solution strengthening effect at low hydrogen levels slightly increased the hardness of α grains. The precipitation of hydrides at high hydrogen levels was accompanied by lattice volume expansion, which caused local plastic deformation of the metal and subsequently generated a large number of dislocations. The movement of dislocations required winding or cutting through hydrides, which caused a significant increase in the hardness of α grains. The amount of compression had limited influence on the high-temperature compression rheological stress, and the recrystallization softening effect was mainly controlled by the deformation temperature. As the amount of compression increased, the α grains along with hydrides were elongated along the vertical compression direction or bent at a certain angle with the compression direction. The hydride grew along the grain boundaries of lamellar α, and the phenomenon of tissue recrystallization was not obvious during hot compression.
-
0. 序言
航改燃气轮机集成航空发动机的高端技术并兼具功率大、尺寸小、质量轻、维护方便、可靠性高、机动性强等突出优势,广泛应用于电力工业、管道输送、冶金石化、舰船动力等重要领域[1-5]. 压气机叶片是燃气轮机的核心部件,长期服役于恶劣工况下,易出现裂纹、磨损、断裂等缺陷. 焊接修复是叶片安全服役维护的重要手段,能延长叶片寿命,降低制造成本,提升经济效益. 研究表明[6],焊接修复叶片成本仅为制造整体叶片的20%. 国内外中小燃气轮机压气机叶片、轮盘等关键部件多采用钛合金制造[7]. 再修复钛合金叶片的焊接部位是叶片服役的薄弱区域,在含氢介质中钛与氢结合力较强,加剧了叶片的氢脆损伤,严重影响了燃气轮机叶片的服役安全. 目前热置氢技术应用于改善钛合金加工性能的研究较多[8-9],但对低氢钛合金焊接接头微观组织及高温力学性能的研究较匮乏. 文中试验结果为叶片定期检修更换与安全服役提供理论指导,对钛合金部件氢脆失效预防、钛合金安全设计及选材、剩余寿命评估意义重大. 重点分析了不同置氢量下TA10(Ti-0.3Mo-0.8Ni)合金氩弧焊接头微观组织、维氏硬度及氢微观作用机理、高温压缩性能.
1. 试验方法
试验选用的10 mm厚热轧态TA10合金板由西北有色金属研究院提供,β相变点为880 ℃,经WS-400IGBT逆变式直流氩弧电焊机多道次双面对接焊,焊接电流140 A、电压25 V、焊接速度12 cm/min,喷嘴、拖罩保护氩气流量分别为40 L/min和20 L/min,焊后接头未经热处理,焊丝为退火态$\phi $2.5 mm TA10合金,母材及焊丝主要化学成分见文献[10]. 如图1所示,焊后板材沿垂直焊缝方向被线切割成尺寸80 mm × 10 mm × 10 mm的试样,焊缝处于试样中心,用于置氢试验、组织观察、硬度及高温压缩性能测试. 为模拟再修复钛合金叶片长期服役期间的氢累积量,将待置氢样品放于管式氢处理炉中,控制置氢系统中氢分压完成高温气相定量充氢试验(700 ℃),获得0.05%,0.12%和0.21%的目标置氢量.
图2为金相组织观察及维氏硬度测试点位置示意图. TA10合金焊接接头焊缝(weld zone, WZ)、热影响区(heat-affected zone, HAZ)、母材(base metal, BM)及高温压缩变形区的金相组织由奥林巴斯GX53型倒置金相显微镜观察. 维氏硬度测试在MTS-1000JMT2型显微硬度计上完成,加载载荷30 N,时间10 s. 在距离试样上表面1/4高度处,从焊缝中心向两侧母材依次进行硬度测量. WZ和HAZ测试点间隔0.5 mm,测量范围−4 ~ 4 mm,BM测试点间隔1.0 mm,测量范围−11 ~ −4 mm和4 ~ 11 mm, BM,HAZ和WZ分别取16,6和9个点测量硬度值,取3个有效试验值的平均值作为该处最终硬度值. 高温压缩性能测试在Gleeble-3800 热模拟试验机上完成. 研究表明[11],压缩试样高径比不大于1.5时对抗压强度影响较小. 热压缩圆柱试样尺寸为H = 11.25 mm,$ \phi $ = 7.5 mm,线切割沿试板焊缝方向分别从BM和WZ中截取圆柱试棒,将其端面及表面打磨光滑. 热压缩试验参数预设为氢含量0.21%,BM压下至高度60%,WZ压下至高度20%,40%和60%,试棒以20 ℃/s速度升温至680 ℃,保温2 min,以0.225 mm/s(应变速率为0.02 s−1)移动速率压下至预设高度值. 试样快速淬火后沿压力轴方向剖开,观察纵剖面金相组织.
2. 试验结果及分析
2.1 置氢焊接接头金相组织演变
研究表明[12-13],置氢量低于0.12%时,焊接接头组织中存在固溶氢,高于0.12%后,组织中析出氢化物,置氢0.12%焊缝中存在大层片面心立方晶格(face-centered cubic, FCC)δ氢化物,置氢0.21%焊缝中存在大层片状FCC δ、长板条FCC δ和长针面心四方晶格(face-centered tetragonal, FCT)γ三类氢化物. 图3为置氢焊接接头金相组织,焊接接头组织明显分为BM,HAZ和WZ 3个区域,HAZ相比WZ区域宽度较窄,WZ区域晶粒明显粗化(图3(a)). 如图3(b)所示,置氢0.12% BM组织由α和β双相组织及大层片δ氢化物组成. 点或块状β相在α相基体上均匀分布,因板材轧制温度及高温置氢温度远低于β相变温度,初生α相发生不完全再结晶,形成块或条状分布的不完整晶界;δ氢化物均匀分布在组织中,高温气相置氢过程,H在Ti中扩散系数高,组织不产生宏观氢浓度梯度. 如图3(c)所示,置氢0.12% HAZ组织由层片α相、少量等轴α相及点或块状β相、大层片δ氢化物组成.焊接高温对HAZ区域组织进行固溶热处理,初生α相形成具有完整晶界的层片及等轴α相,层片α相及大层片δ氢化物在组织中随机无序排列. 如图3(d)所示,置氢0.12% WZ组织由大量层片α相、针状转变β相、少量点或块状β相、大层片δ氢化物组成. WZ中焊接温度远高于β相变温度,组织发生完全再结晶转变,形成大量层片α相和针状转变β相,层片α相局部排列取向一定且与针状转变β相交替排列,单一层片α相细长平直且有较大纵横比. 如图3(e)所示,未置氢WZ组织为典型层片组织,层片α相与针状转变β相交替排列,组织内部形成由同一取向层片α相组成的大尺寸集束.如图3(f)所示,置氢0.05% WZ组织由层片α相、针状转变β相、点或块状β相组成,H作为β相稳定元素更有利于αH→βH相转变,组织中点或块状βH相(黑色)略有增加,置氢处理能减缓焊缝全层片组织形成,组织中未见层片状δ氢化物析出. 如图3(g)所示,置氢0.21% WZ组织为层片α相、针状转变β相组成的全层片组织,沿层片α相晶界伴有大层片δ氢化物析出,且尺寸明显大于置氢0.12% WZ组织中氢化物尺寸.
2.2 置氢焊接接头硬度演变
置氢焊接接头硬度演变与其微观组织变化密切相关. TA10合金是一种近α型钛合金,β相含量较少,硬度主要源自α相. 随置氢含量增加,氢作为β相稳定元素能一定程度上改变α/β相含量比,继而影响置氢焊接接头硬度. 如表1所示,不同置氢量条件下焊接接头3个区域平均维氏硬度结果分析表明:①各置氢量WZ硬度值相比BM明显增大,增幅依次为 12.40%,16.96%,22.94%和16.45%,各置氢量WZ硬度值远高于BM和HAZ,HAZ硬度均略高于BM;② WZ硬度值随置氢量增加明显增大,置氢0.21% WZ硬度高达196.8 HV,BM,HAZ和WZ硬度值均明显高于其它置氢量,高氢量明显提升焊接接头硬度;③置氢0.12%以内,置氢量对BM和HAZ硬度基本无明显影响,置氢0.21%时焊接接头3个区域硬度整体提升.
表 1 不同置氢量焊接接头各区域平均维氏硬度Table 1. Regional average Vickers hardness of the welded joint with different hydrogen contents置氢量w(%) 平均维氏硬度H/HV BM HAZ WZ 未置氢 156.4 170.5 175.8 0.05 152.7 168.4 178.6 0.12 151.7 164.4 186.5 0.21 169.0 186.2 196.8 2.3 氢致硬度演变机制
图4为不同置氢量焊接接头纵剖面维氏硬度具体分布. 各置氢量WZ硬度明显高于BM和HAZ,这与钛合金高温焊接及快冷过程中α晶粒细化程度相关. WZ中α晶粒再结晶转变,致使晶粒明显细化,晶粒形状由原始等轴转为层片状,层片α晶粒呈一定规律性排列,而HAZ仅生成少量层片α晶粒,即HAZ组织为典型等轴/层片α相混合. 不同置氢量焊接接头3个区域硬度由大到小依次为WZ—HAZ—BM. 焊接接头置氢量越多,WZ硬度越高,WZ对置氢量敏感与α晶粒硬化作用密切相关,置氢α晶粒硬度变化机制:① 氢固溶强化作用. 低氢量WZ室温组织中未见氢化物析出,氢为位错运动原子尺寸级障碍,择优分布于位错线附近,形成间隙原子“气团”,牢牢钉扎住现有位错,进而具有固溶强化作用[14],α晶粒硬度略有提升,但其强化效果弱于氢化物;② 高氢量位错理论.位错数量和位错运动是影响金属材料硬度的重要因素,高氢量WZ室温组织中明显析出氢化物,氢化物析出伴随自身晶格体积膨胀,导致金属基体局部发生塑性变形,产生大量位错,氢化物对位错运动存在显著“钉扎”作用,位错运动必须绕或切过对应的氢化物,这两者之间相互作用导致α晶粒硬度明显提升.
WZ硬度对置氢量敏感,高氢量有利于WZ硬度提升,H为β相稳定元素,促使αH→βH相变发生,软化相βH含量随之增加,但置氢0.05%导致βH相含量增加有限,其BM和HAZ硬度基本保持不变. 置氢0.12%焊接接头室温组织中明显析出氢化物,除βH相含量增加有限外,微量氢化物未导致BM和HAZ硬度大幅提升,因此,置氢0.12%以内,氢量对BM和HAZ硬度影响有限. 而置氢0.21%焊接接头3个区域硬度显著提升,随置氢量增加,氢化物析出数量、类型显著增多,转变βH相相应分解形成短棒硬化次生α相,致使α晶粒自身硬度显著提高,即焊接接头硬度大幅增加.
2.4 压下量对流变应力演变影响
图5为置氢0.21%且压下量为20%,40%和60% WZ试样真应力−应变曲线. 同一置氢量、三种压下量条件下流变应力曲线在加工硬化阶段基本重合,压下量对曲线加工硬化阶段影响有限. 而进入过渡阶段,随压下量持续增加,峰值应力先降低后缓慢增加,压下量为40%时,峰值应力降至最小值88 MPa. 应力最大差值出现在峰值流变位置,最大差值为16 MPa. 压下量增加对流变应力影响有限,压下量大或小时,曲线表明再结晶软化作用更倾向于受变形温度主导. 因此压下量对流变应力影响有限,压下量为40%时,高温压缩变形抗力最小,再结晶软化主要受变形温度控制.
2.5 高温压缩变形区金相组织演变
图6为置氢0.21% 焊接接头压缩纵剖面金相组织(680 ℃). 如图6(a)所示,置氢0.21% BM金相组织由等轴α晶粒、少量点或块状β相、短棒层片δ氢化物组成,压下量为60%时,母材等轴α晶粒及短棒氢化物形变有限,BM组织演变不明显. 如图6(b) ~ 图6(d)所示,随压下量增大,WZ组织演变越发剧烈,即层片α晶粒连同氢化物沿垂直于压下方向被拉长或与压下方向呈一定角度被弯折. 压下量增大为α晶界运动克服障碍提供更多能量,晶界迁移速度增加[15],层片α晶粒连同氢化物被拉长或弯折程度加大. WZ组织析出氢化物多沿层片α晶界成核生长,热压缩过程再结晶现象并不明显,原因为变形激活能虽满足动态再结晶能量需求,但高应变速率导致变形时间短,再结晶形核和长大晶粒在微观组织中不明显.
3. 结论
(1) BM,HAZ和WZ组织依次为含不完整晶界的α/β双相组织、层片α相 + 少量等轴α相 + 点或块状β相、大量层片α + 针状转变β相 + 少量点或块状β相.
(2) 各置氢量WZ硬度值明显增大,高置氢量明显提升焊接接头硬度. 低氢时氢固溶强化作用使α晶粒硬度略提升,高氢时氢化物随自身晶格体积膨胀使金属局部塑性变形形成大量位错,位错运动绕或切过氢化物致α晶粒硬度显著提升.
(3) 压下量对流变应力影响有限,再结晶软化作用主要受变形温度控制.
(4) 随压下量增大,WZ组织中的层片α晶粒连同氢化物沿垂直于压下方向被拉长,或与压下方向呈一定角度被弯折.
-
表 1 不同置氢量焊接接头各区域平均维氏硬度
Table 1 Regional average Vickers hardness of the welded joint with different hydrogen contents
置氢量w(%) 平均维氏硬度H/HV BM HAZ WZ 未置氢 156.4 170.5 175.8 0.05 152.7 168.4 178.6 0.12 151.7 164.4 186.5 0.21 169.0 186.2 196.8 -
[1] Obhuo M, Aziaka D S, Osigwe E, et al. Economic optimization from fleets of aero-derivative gas turbines utilising flared associated gas[J]. International Journal of Thermofluids, 2020(7-8): 100049.
[2] Gülen S C. Gas turbines for electric power generation[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2019.
[3] Abudu K, Igie U, Roumeliotis I, et al. Aeroderivative gas turbine back-up capability with compressed air injection[J]. Applied Thermal Engineering, 2020(180): 115844.
[4] 彭建强, 张宏涛, 王景生, 等. 中小燃气轮机关键部件用钛合金和变形高温合金对比分析[J]. 东方汽轮机, 2020(2): 58 − 62. Peng Jianqiang, Zhang Hongtao, Wang Jingsheng, et al. Comparison analysis of titanium alloy and wrought superalloy for key parts of light duty gas turbine[J]. Dongfang Turbine, 2020(2): 58 − 62.
[5] 金俊龙, 李菊, 张传臣, 等. 热处理对TC21钛合金线性摩擦焊接头组织与性能的影响[J]. 焊接学报, 2022, 43(9): 69 − 74. doi: 10.12073/j.hjxb.20211009001 Jin Junlong, Li Ju, Zhang Chuanchen, et al. Effect of heat treatment on microstructure and properties of linear friction welded joint of TC21 titanium alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2022, 43(9): 69 − 74. doi: 10.12073/j.hjxb.20211009001
[6] 卓义民, 陈远航, 杨春利. 航空发动机叶片焊接修复技术的研究现状及展望[J]. 航空制造技术, 2021, 64(8): 22 − 28. Zhuo Yimin, Chen Yuanhang, Yang Chunli. Research status and prospect of welding repair technology for aero-engine blades[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2021, 64(8): 22 − 28.
[7] 吕振家, 彭建强, 张宏涛, 等. LM2500燃气轮机关键部件用材分析[J]. 东方汽轮机, 2018(2): 73 − 77. Lyu Zhenjia, Peng Jianqiang, Zhang Hongtao, et al. Material analysis on key parts of LM2500 gas turbine[J]. Dongfang Turbine, 2018(2): 73 − 77.
[8] Wen Jin, Fleury E, Cao Fei, et al. Hydrogen concentration dependence of phase transformation and microstructure modification in metastable titanium alloy β-21S[J]. Journal of Materials Science, 2021, 56(8): 5161 − 5172. doi: 10.1007/s10853-020-05568-5
[9] Li Xifeng, Xu Fangfei, Hu Lan, et al. Tensile deformation behavior of coarse-grained Ti-55 titanium alloy with different hydrogen additions[J]. Rare Metals, 2021, 40(8): 2092 − 2098. doi: 10.1007/s12598-020-01546-7
[10] 刘全明, 龙伟民, 傅莉, 等. 氢致TA10钛合金焊接接头拉伸性能演变[J]. 焊接学报, 2020, 41(12): 20 − 24. doi: 10.12073/j.hjxb.20200615003 Liu Quanming, Long Weimin, Fu Li, et al. Tensile properties evolution of hydrogen-induced TA10 titanium alloy welded joints[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2020, 41(12): 20 − 24. doi: 10.12073/j.hjxb.20200615003
[11] 张慧芳. BTi-62421S合金高温变形行为及应用研究[D]. 太原: 中北大学, 2011. Zhang Huifang. Research on high temperature deformation behaviors and application of BTi-62421S alloys[D]. Taiyuan: North University of China, 2011.
[12] Liu Quanming, Zhang Zhaohui, Yang Haiying, et al. Hydride precipitation in the hydrogenated 0.12wt.% H weld zone of Ti-0.3Mo-0.8Ni alloy argon-arc-welded joints[J]. The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society, 2018, 70(9): 1902 − 1907.
[13] Liu Quanming, Zhang Zhaohui, Liu Shifeng, et al. The hydride precipitation mechanisms in the hydrogenated weld zone of Ti-0.3Mo-0.8Ni alloy argon-arc welded joints[J]. Advanced Engineering Materials, 2018, 20(5): 1700679. doi: 10.1002/adem.201700679
[14] 彭新元. 热氢处理对钛合金组织和切削性能的影响[D]. 南昌: 南昌航空大学, 2010. Peng Xinyuan. Influence of thermohydrogen processing on microstructure and machinability of titanium alloys[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2010.
[15] 赖静. 含氢BT20合金热变形流变应力和组织演变的ANN模型[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006. Lai Jing. ANN models of flow stress of hot deformation and microstructure evolution in hydrogenized BT20 alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006.