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航空造船生物醫(yī)療用TA2板材焊接接頭組織及性能研究

發(fā)布時(shí)間: 2024-10-19 09:33:00    瀏覽次數(shù):

前言

鈦及其合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高、良好的塑性和韌性及優(yōu)異的耐腐蝕性,廣泛應(yīng)用于航空航天、航海造船、車輛工程、生物醫(yī)療、石油化工等行業(yè)[1-5]。優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能使得TA2在石化行業(yè)備受青睞,在熱交換器及各種化學(xué)反應(yīng)容器等產(chǎn)品上得到了有效的應(yīng)用[6-8]。由于TA2存在易吸氫、易氧化、不易焊接等特點(diǎn)[9-11],目前大多數(shù)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(xué)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(xué)性能及電化學(xué)耐蝕性能,可更好的為涉及TA2材質(zhì)的工業(yè)化應(yīng)用及產(chǎn)品生產(chǎn)制造提供理論借鑒及工程應(yīng)用參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

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

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1.2焊接方法及工藝參數(shù)

裝配前用化學(xué)試劑(VHF∶VHNO3∶VH2O=4∶17∶79)對TA2試板及焊絲ERTA2ELI進(jìn)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(jìn)行擦拭,采用TIG焊方法進(jìn)行焊接,焊接過程中采用接觸式測溫儀對試件進(jìn)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(shí)間4~5s,保護(hù)氣體:≥99.99%Ar,保護(hù)氣體壓力為3MPa(保護(hù)氣體、尾部保護(hù)氣體)及5MPa(背面保護(hù)氣體),提前通氣時(shí)間10~15s,延后停氣時(shí)間25~30s,其余焊接工藝參數(shù)詳見表2。

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1.3試驗(yàn)方法

TA2試板在焊接完成后進(jìn)行射線檢測(RT)及滲透檢測(PT),未發(fā)現(xiàn)缺陷。使用WE-60液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn),使用Kroll試劑對金相試樣進(jìn)行腐蝕,使用AXIOVERT200MAT金相顯微鏡對焊接接頭微觀組織進(jìn)行觀察,使用NI500金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭的沖擊試驗(yàn),使用HVS-50維氏硬度計(jì)測試焊接接頭硬度,載荷98N,加載時(shí)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(xué)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Ecorr、自腐蝕電流密度Icorr及鈍化電流密度Ipass,電極采用三電極法,參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極,試樣為工作電極,試驗(yàn)溫度為20℃,動(dòng)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。

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2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1力學(xué)性能

2.1.1抗拉強(qiáng)度及彎曲性能

根據(jù)NB/T47014—2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》,分別對焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示,試樣斷裂位置均為焊縫,焊接接頭抗拉強(qiáng)度分別為492MPa、480MPa,滿足母材的抗拉強(qiáng)度要求(≥400MPa)。焊接接頭的彎曲試驗(yàn)壓頭直徑為100mm,彎曲角度為180°,面彎及背彎各2個(gè)試樣拉伸結(jié)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(jù)GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對其進(jìn)行了室溫沖擊試驗(yàn),試樣尺寸為7.5mm×10mm×55mm,結(jié)果如圖2所示。

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從圖2可看出,母材和熱影響區(qū)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(qū)平均沖擊吸收能量,焊縫區(qū)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(shù)量多且尺寸小。從圖3(b)中發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)的斷口也存在大量的韌窩,但相比母材區(qū)域而言,該區(qū)域的韌窩尺寸增大。相比前兩個(gè)區(qū)域,焊縫區(qū)的韌窩數(shù)量大幅度減少,韌窩的深度變淺,同時(shí)存在一定量的解理小平面,如圖3(c)所示。

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2.1.3硬度

對焊接接頭的不同區(qū)域進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出,焊縫區(qū)域的硬度最大值為178HV1.0,高于熱影響區(qū)及母材區(qū)域的硬度最大值,母材區(qū)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。

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2.2顯微組織

對焊接接頭進(jìn)行微觀組織觀察,結(jié)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(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)組織為粗大的α相和不規(guī)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(qū)域的性能。在圖5(c)中,發(fā)現(xiàn)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(kuò)散形式轉(zhuǎn)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(qiáng)化作用,但也具有一定的強(qiáng)化作用。因此,馬氏體的存在使得焊縫區(qū)域的沖擊性能下降,硬度升高。

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2.3電化學(xué)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(xué)腐蝕性能,對TA2母材和TA2焊接接頭分別進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn),極化曲線如圖6所示,自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度Icorr及鈍化電流密度Ipass見表3。

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從圖6可看出,TA2母材和TA2焊接接頭均具有較寬的穩(wěn)定鈍化電位,說明鈍態(tài)穩(wěn)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Ecorr大于TA2焊接接頭的自腐蝕電位Ecorr,對于自腐蝕電流Icorr而言,TA2母材小于TA2焊接接頭,TA2母材鈍化電流密度Ipass小于TA2焊接接頭的鈍化電流密度Ipass。相比自腐蝕電位Ecorr及自腐蝕電流密度Icorr,鈍化電流密度Ipass是更為重要的參數(shù),鈍化電流密度Ipass越小,鈍化膜對腐蝕介質(zhì)的屏蔽能力越強(qiáng),鈍化膜的溶解速度越小,耐腐蝕性能越強(qiáng)[12-13],同時(shí)自腐蝕電位Ecorr越負(fù),自腐蝕電流Icorr越大,材料發(fā)生電化學(xué)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(xué)腐蝕性能優(yōu)于TA2焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能。相比母材,熱影響區(qū)α相晶粒粗大,焊縫區(qū)域存在針狀馬氏體,晶界缺陷較多,容易先發(fā)生腐蝕,最終導(dǎo)致TA2母材電化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于TA2焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能。

3、結(jié)論

(1)TA2板材焊接接頭經(jīng)無損檢測未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷,焊接接頭抗拉強(qiáng)度為492MPa、480MPa;彎曲性能良好。

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

(3)TA2母材組織為等軸α相,熱影響區(qū)組織為粗大的α相+不規(guī)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(qū),TA2母材區(qū)的沖擊斷口韌窩數(shù)量較多且尺寸較小。焊縫區(qū)的韌窩數(shù)量少,深度淺,同時(shí)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(xué)腐蝕性能優(yōu)于TA2焊接接頭電化學(xué)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(shè)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

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