引言

鈦合金憑借自身優(yōu)異的輕量化、高強(qiáng)度及耐腐蝕性等特點(diǎn)，成為航空航天領(lǐng)域廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料[1-3]。尤其是鈦合金的焊接／超塑性成形技術(shù)能夠制造空心輕量化結(jié)構(gòu)，具有重要的應(yīng)用潛力[4]。TC4鈦合金激光焊接接頭成形良好，強(qiáng)度高于母材，但因?yàn)楹缚p由粗大的原始β晶粒內(nèi)的網(wǎng)籃狀馬氏體組織構(gòu)成，所以其接頭塑性較差[5]。在常溫拉伸變形過(guò)程中，TC4鈦合金母材的延伸率通常在10％~15％，而焊縫基本不發(fā)生塑性變形；在高溫超塑性變形過(guò)程中，焊縫的超塑性變形能力低于母材[6-8]，從而限制了激光焊／超塑性成形技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，調(diào)控焊縫組織、提高接頭的常溫及高溫塑性，可提高焊接件的加工性能，進(jìn)一步推動(dòng)TC4鈦合金的推廣應(yīng)用。添加稀土元素是調(diào)控合金組織性能的一種可行方法，一般來(lái)說(shuō)稀土元素以單質(zhì)、氧化物或金屬間化合物形態(tài)出現(xiàn)在合金組織中，起到凈化、改性和微合金化作用[9-13]。與其他稀土元素相比，稀土元素Yb有著更為獨(dú)特的原子核外電子排列方式，這也使得Yb元素的調(diào)控作用在鋁、鎂合金中有著更多的應(yīng)用和研究[14]。研究表明，稀土元素Yb能夠在不同的鋁、鎂合金中生成不同的金屬間化合物，這些細(xì)小化合物的析出起到了對(duì)位錯(cuò)的釘扎阻礙作用，進(jìn)而限制合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，達(dá)到了細(xì)化晶粒的作用，對(duì)合金的塑型和強(qiáng)度有著較大提升[15-17]。目前，稀土元素對(duì)鈦合金焊接接頭組織及性能的影響還未見(jiàn)相應(yīng)研究報(bào)道。本工作在TC4鈦合金激光焊縫中添加不同含量的Yb₂O₃，并觀察其接頭組織特征，測(cè)試其接頭常溫及高溫力學(xué)性能，為鈦合金激光焊／超塑性成形技術(shù)的應(yīng)用提供理論參考。

1、實(shí)驗(yàn)
母材選用長(zhǎng)×寬×高為60mm×40mm×2mm的熱軋退火態(tài)TC4鈦合金板，室溫拉伸延伸率為11％。采用激光鋪粉焊接，預(yù)置粉末為Yb₂O₃和TC4粉末充分球磨后的混合粉末，粉末粒徑均為15～50μm。Yb₂O₃在焊前混粉中所占質(zhì)量比例（文中如無(wú)特別說(shuō)明均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0％、2％、4％、6％、8％、10％，采用對(duì)接焊方式，圖1ａ為鋪粉焊接示意圖。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-4000光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1.07μm，激光功率為1.9kW，焊接速度為2.1m/min。室溫拉伸采用型號(hào)為ＷＤＷ200Ｄ微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以1mm／ｍｉｎ的拉伸速率檢測(cè)接頭抗拉強(qiáng)度，室溫拉伸試樣尺寸如圖1ｂ所示。高溫拉伸采用ＣＭＴ4104微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)，高溫拉伸參數(shù)為變形溫度900℃、初始應(yīng)變速率2×10^-3s^-1，高溫拉伸試樣尺寸如圖1ｃ所示采用掃描電子顯微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）、能譜儀（Ｅｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＥＤＳ）和Ｘ射線衍射儀（Ｘｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ，ＸＲＤ）分析接頭的界面物相組成和結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)果與討論
2.1　稀土元素對(duì)TC4鈦合金激光焊接頭組織的影響

圖2為不同Yb₂O₃含量時(shí)TC4鈦合金激光焊接頭金相組織。

從圖2ａ未添加Yb₂O₃的接頭組織中可知，焊縫區(qū)由粗大原始β柱狀晶組成，β晶粒內(nèi)部由有序排列的針狀馬氏體α′組成，進(jìn)而形成網(wǎng)籃組織。圖2ｂ中未發(fā)現(xiàn)明顯的第二相，焊縫組織依舊由原始β柱狀晶組成，但添加Yb₂O₃之后，原始β柱狀晶的長(zhǎng)度和寬度同時(shí)出現(xiàn)了明顯的減小現(xiàn)象，這表明Yb₂O₃的添加能夠使激光填粉焊鈦合金焊縫原始β晶粒產(chǎn)生細(xì)化現(xiàn)象圖3為Yb₂O₃對(duì)焊縫寬度及β晶粒尺寸的影響。由圖3可知，未添加Yb₂O₃的焊縫β晶粒大小為420μm，焊縫寬度為0.94mm。添加稀土后，焊縫晶粒尺寸及焊縫寬度隨著土含量增加而不斷減?。划?dāng)Yb₂O₃含量為6％時(shí)，Yb₂O₃對(duì)焊縫晶粒尺寸及焊縫中心寬度影響最為顯著，晶粒尺寸最小為308μm，此時(shí)焊縫中心寬度也達(dá)到最小值，為0.73mm。相較于未添加Yb₂O₃焊縫，β晶粒尺寸減小26.67％，焊縫中心寬度減小22.3％。這是因?yàn)殡S著Yb₂O₃含量的增加，熔池中異質(zhì)形核點(diǎn)也會(huì)增加，降低了臨界形核功，增加了焊縫晶粒的形核率。激光焊縫中心寬度主要取決于熔池的表面張力，稀土元素作為活性元素能夠有效降低液態(tài)熔池的表面張力并減小其表面能，使得焊縫中心寬度變窄。但當(dāng)Yb₂O₃的含量達(dá)到8％后，晶粒尺寸及焊縫中心寬度又逐漸變大，在Yb₂O₃的含量為10％時(shí)，焊縫晶粒尺寸為336μm，焊縫中心寬度為0.96mm。這是因?yàn)殡S著焊縫中稀土氧化物的增加，容易聚集形成大的夾渣物，導(dǎo)致形核點(diǎn)減少的同時(shí)亦降低液態(tài)熔池的流動(dòng)性，對(duì)晶粒的細(xì)化及焊縫中心寬度產(chǎn)生不利影響。

圖4為添加6％Yb₂O₃后焊縫β晶內(nèi)網(wǎng)籃組織，其中圖4ａ為網(wǎng)籃組織的能譜面掃描，可以看到，焊縫為針狀α′馬氏體構(gòu)成的網(wǎng)籃組織，但是在網(wǎng)籃組織中存在微小的白點(diǎn)。經(jīng)過(guò)ＥＤＳ掃描表明，網(wǎng)籃組織內(nèi)存在Ｏ、Ｙｂ元素，判斷其為Yb₂O₃顆粒。結(jié)合圖4ｂ的ＸＲＤ圖，同樣表明焊縫網(wǎng)籃組織內(nèi)存在Yb₂O₃，表明圖4ａ中白色相為在β晶粒內(nèi)部的Yb₂O₃。Yb₂O₃的加入一方面會(huì)降低大部分的馬氏體長(zhǎng)度，這是因?yàn)閅b₂O₃的加入會(huì)降低β晶粒尺寸，而馬氏體的生長(zhǎng)不能突破β晶粒的晶界；另一方面會(huì)導(dǎo)致馬氏體生長(zhǎng)排列雜亂，這是因?yàn)橄⊥罽b作為活性元素，會(huì)促使熔池的向下流動(dòng)更加劇烈，從而導(dǎo)致馬氏體生長(zhǎng)排列雜亂。當(dāng)馬氏體生長(zhǎng)受到限制時(shí)，晶粒內(nèi)部元素更容易進(jìn)行元素?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致網(wǎng)籃組織的形成秩序受到了影響，這降低了焊縫的強(qiáng)、硬度而使其更容易發(fā)生變形，即塑性提高。

2.2　稀土元素對(duì)TC4鈦合金激光焊接頭性能的影響

2.2.1　室溫力學(xué)性能

表1為Yb₂O₃含量對(duì)接頭室溫力學(xué)性能的影響，由表可知，當(dāng)Yb₂O₃含量低于6％時(shí)，拉伸試樣都斷裂于母材，說(shuō)明接頭強(qiáng)度高于母材，抗拉強(qiáng)度高于1100Mpa。當(dāng)Yb₂O₃含量達(dá)到8％時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度降低到910Mpa，斷裂發(fā)生在熔合區(qū)附近的焊縫，這是因?yàn)閅b₂O₃含量過(guò)高，容易在焊縫中聚集成脆性，同時(shí)加劇了焊縫與熱影響區(qū)的組織性能差異，導(dǎo)致試件在熔合附近的焊縫處斷裂。當(dāng)Yb₂O₃含量繼續(xù)升高到10％時(shí)，焊縫的脆性更強(qiáng)，強(qiáng)度只有869Mpa，過(guò)多的稀土氧化物造成了焊縫夾渣，引起了焊縫的應(yīng)力集中現(xiàn)象。焊接裂紋伴隨著脆性氧化物開(kāi)始萌生，接頭性能急劇惡化，反而降低了接頭的抗拉強(qiáng)度和塑性，斷裂位置出現(xiàn)在焊縫處。

圖5為Yb₂O₃含量對(duì)焊縫伸長(zhǎng)率的影響。因?yàn)樵嚇佣鄶?shù)斷裂于母材，所以用伸長(zhǎng)率來(lái)表征焊縫的塑性。由圖5可知，隨著Yb₂O₃含量的增加，焊縫的伸長(zhǎng)率呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。未添加稀土元素時(shí)，焊縫伸長(zhǎng)率為3.7％，這是因?yàn)楹缚p晶粒粗大，馬氏體長(zhǎng)而有序，因此強(qiáng)度、硬度較高，在試樣進(jìn)行拉伸時(shí)，焊縫塑性較低，變形程度有限。加入稀土后，焊縫晶粒得到了細(xì)化，馬氏體長(zhǎng)度減小，排列秩序降低，塑性增加。當(dāng)Yb₂O₃含量為2％時(shí)，延伸率提高至4.2％。隨著Yb₂O₃含量繼續(xù)增加至6％時(shí)，焊縫伸長(zhǎng)率達(dá)最高，為6.8％，此時(shí)焊縫塑性最好，稀土元素的作用達(dá)到最大，這也表明添加適量的Yb₂O₃可有效提高焊縫的塑性。而當(dāng)Yb₂O₃含量繼續(xù)增加至8％時(shí)，稀土氧化物的脆性發(fā)揮作用，反而低焊縫強(qiáng)度和塑性，此時(shí)塑性降低明顯，延伸率下降至5.1％。當(dāng)Yb₂O₃含量為10％時(shí)，焊縫伸長(zhǎng)率為4.5％，接頭塑性進(jìn)一步降低，這是因?yàn)檫^(guò)多的稀土氧化物造成了焊縫夾渣，引起了焊縫的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終導(dǎo)致裂紋的萌生，接頭性能惡化。因此摻加含量6％以下的稀土氧化物有利于提高焊縫的塑性，增加焊縫延伸率。為了更充分展現(xiàn)Yb₂O₃對(duì)接頭斷裂行為的影響，對(duì)斷裂于焊縫位置的試樣進(jìn)行斷口分析（見(jiàn)圖6），對(duì)圖6ａ中紅色框選部分進(jìn)行放大，得到如圖6ｂ所示的焊縫斷口形貌局部放大圖，從圖6ｂ中可發(fā)現(xiàn)直徑約10μm的白色相夾雜在斷口處，能譜點(diǎn)掃描結(jié)果顯示，該白色相為焊縫中形成的Ｍ相。這表明當(dāng)Yb₂O₃含量過(guò)高時(shí)，焊縫中聚集形成的不規(guī)則塊狀Ｍ相會(huì)造成焊縫夾渣等不良后果，極有可能在載荷作用下引起焊縫內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而成為裂紋的萌生源，這成為焊縫性能下降的重要內(nèi)因。

2.2.2　高溫力學(xué)性能

圖7為接頭縱向試樣高溫拉伸宏觀斷裂圖片，圖中白色試樣為高溫拉伸前縱向接頭試樣，白色是涂敷Ti-5高溫防氧化玻璃涂料導(dǎo)致，其在高溫下會(huì)在試樣表面熔化形成一層致密的玻璃涂層，有效緩解高溫拉伸過(guò)程中試樣的氧化。由圖7可知，接頭在高溫拉伸過(guò)程中變形均勻，未有明顯頸縮斷裂，這也保證了縱向接頭試樣在超塑變形過(guò)程中能獲得較大的斷后延伸率。圖8為變形溫度為920℃、應(yīng)變速率為1×10^-3ｓ^-1條件下6％Yb₂O₃含量縱向接頭試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，由圖可知，該曲線形狀接近非典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶曲線。隨著高溫拉伸的進(jìn)行，試樣流變應(yīng)力增速減緩并逐漸達(dá)到峰值，達(dá)峰值后便出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致塑性失穩(wěn)，這是典型的超塑性變形特征。圖9為變形溫度為920℃、應(yīng)變速率為1×10^-3ｓ^-1件下Yb₂O₃含量對(duì)焊縫高溫試樣超塑性能的影響。由圖9可知，當(dāng)焊縫中未添加Yb₂O₃時(shí)，縱向焊縫高溫試樣接頭的流變應(yīng)力為15.5Mpa，試樣延伸率達(dá)到了320％，說(shuō)明TC4鈦合金激光焊焊縫具有一定的超塑變形能力。隨著Yb₂O₃含量的增加，流變應(yīng)力先減小后增大，延伸率先增大后減小。Yb₂O₃含量為6％時(shí)，對(duì)焊縫高溫超塑性能影響最為顯著，此時(shí)試樣的峰值流變應(yīng)力最小，為11.9Mpa，試樣延伸率達(dá)到最大值，為382％，相對(duì)于未添加Yb₂O₃的焊接試樣，峰值流變應(yīng)力減小了25％，試樣延伸率增加了19％。這是因?yàn)閅b₂O₃的加入能夠有效降低焊縫晶粒的尺寸，使得粗大的原始β晶粒破碎，而隨著晶粒的細(xì)化，單位體積內(nèi)晶界總面積增加，晶界的滑動(dòng)趨勢(shì)增加，最終導(dǎo)致縱向焊縫高溫試樣延伸率增加。此外，隨著位錯(cuò)在晶界附近塞積導(dǎo)致晶格強(qiáng)烈扭動(dòng)的區(qū)域增加，晶界提供了較多的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核場(chǎng)所，有效促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，進(jìn)而降低了縱向焊縫高溫試的高溫變形抗力，其峰值流變應(yīng)力也降低。隨著Yb₂O₃含量的進(jìn)一步增加，試樣峰值流變應(yīng)力開(kāi)始不斷增加，延伸率也降低。當(dāng)Yb₂O₃的含量為10％時(shí)，縱向焊縫高溫試樣峰值流變應(yīng)力為14.6Mpa，試樣延伸率為308％，分別比未添加時(shí)降低了4.4％和3.8％，試樣的塑性變形能力開(kāi)始惡化。這是因?yàn)楫?dāng)Yb₂O₃的含量過(guò)高時(shí)，這些氧化物夾雜開(kāi)始趨向于在位錯(cuò)和晶界處聚集，阻礙晶界及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)元素的擴(kuò)散起到不利影響，顯著提高再結(jié)晶溫度，高溫變形抗力增加，塑性降低。

3、結(jié)論

（1）Yb₂O₃的加入能夠在減小焊縫中心寬度的同時(shí)為β晶粒提供異質(zhì)形核點(diǎn)，細(xì)化β晶粒尺寸。隨著Yb₂O₃含量的增加，焊縫晶粒尺寸及焊縫寬度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)Yb₂O₃含量為6％時(shí)，晶粒尺寸最小，為308μm，焊縫中心寬度也達(dá)到最小值，為0.73mm。

（2）Yb₂O₃的加入提高TC4鈦合金激光焊接頭室溫塑性。隨著Yb₂O₃含量升高，接頭伸長(zhǎng)率先升高后降低，未添加稀土元素時(shí)，焊縫伸長(zhǎng)率為3.7％，當(dāng)Yb₂O₃含量為6％時(shí)伸長(zhǎng)率最大，為6.8％，是原始焊縫伸長(zhǎng)率的近2倍。

（3）Yb₂O₃的加入能夠提高焊縫的超塑性變形能力。隨著Yb₂O₃含量的升高，焊縫縱向超塑性變形延伸率先增大后減小，峰值流動(dòng)應(yīng)力先減小后增大。當(dāng)Yb₂O₃含量在6％時(shí)，峰值流變應(yīng)力最低，為11.9Mpa，延伸率最高，為382％。

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