7715D高温钛合金板材的焊接性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)宝山钢铁股份有限公司特殊钢事业部制造管理部 作者:陆琪

一、前言

  高温钛合金具有比强度高、耐高温性能好和抗腐蚀性能强的特点,在航天航空领域有大量的应用。随着国家航天战略的启动,对材料要求不断提高,钛合金领域的研发人员进行了很多研究。满足国家需求的同时,使我国在高温钛合金方面有了巨大的突破。

  7715 系列是我国为满足航空航天材料方面的需求而自主研发的一个钛合金系列,从7715A 发展至7715D 已有30 余年的历史,其应用极限使用温度达600℃(使用温度高于550℃的钛合金被称为高温钛合金)。由于其较高的使用温度以及优良的性能,航天器件的设计师们十分愿意在他们的产品上使用该合金。

  7715系列已为我国航天卫星、神舟系列等国家重点工程项目做出了卓越的贡献。

  7715D是这个系列中为航天开发的最新也是性能最优越的钢种,其棒材、饼材现已批量供货。随着航天需求的不断增大,板材必不可少,本文就是对7715D板材的焊接性能进行研究与探讨,为将来的板材生产打下基础。

二、材料制备及试验方法

  7715D 高温钛合金的名义成分为Ti-6Al-3Sn-2Zr-2Mo-2Nb-微量Si 及Ce。选用一级海绵钛及和Ti-Sn、Al-Mo、Al-Nb、Al-Ce 中间合金、海绵Zr及结晶Si混合,充分搅拌均匀后压制成电极,经过等离子焊接,进行三次真空自耗熔炼,得到直径为Φ760mm 的铸锭,铸锭经适当的温度在快锻开坯,用55mm 厚,195mm宽的锻造坯料,再在适当温度下热轧至δ3mm 的板材。对板材进行热处理后进行组织观察,并进行室温、450℃、550℃、650℃下的拉伸性能测试。然后采用电子束焊接方法对7715D 钛合金板状试样进行对接焊,再在室温、450℃、550℃、650℃下进行拉伸试验以测试其焊接性能。试样形状为35×170mm 的板材、标距50mm(见图1)

三、试验结果与分析

3.1 7715D 钛合金热轧板材组织和性能

  通过观察高倍组织可知,7715D 高温钛合金δ3mm 热轧板材组织较为均匀,排列较为有序,主要由转变β组织(针状α 相)和一定数量的初生α相构成(见图2(a)、图2(b))。在经过双重热处理后,组织形貌发生变化,初生α相球化且略有减少,β转变组织增加;同时改善了组织定向有序排列的情况(见图2(c)、图2(d))。

图2 7715D 热轧板材组织(δ3mm) (a)热轧态100× (b)热轧态500× (c)热处理后100× (d)热处理后500×

  一般而言,双相钛合金中分为魏氏组织、网篮状组织、等轴α组织和混合组织四种常见组织。7715D 钛合金热轧板材即属于混合组织,这种组织兼有其他几种组织的优点,所以经过组织观察我们判断它应该具有较好的力学性能。通过试验,也证明了这个推断,结果如表1所示。

  随着试验温度的升高,7715D钛合金板材的抗拉强度和屈服强度均降低,延伸率增加。在550℃时其抗拉强度可达到789Mpa,屈服强度达到629Mpa,延伸率有24%。在保持较高强度的同时,仍能有较好的塑性,表现出了较好的力学性能(高温拉伸试验后的试样见图3)。

  采用电子束焊接方法对7715D 高温钛合金板状试样进行对接焊,然后再在万能力学拉伸试验机上进行室温、450℃、550℃和650℃等不同温度下的拉伸性能测试(高温拉伸后的焊接试样见图4)。分析表2的结果可知,同7715D 高温钛合金板材一样,其板材焊接接头的强度也随着温度的升高逐渐降低。从表中还可发现,抗拉强度在550℃时仍有732MPa ,这与板材在550℃下的抗拉强度很接近并且不论在何种试验温度下,7715D 高温钛合金板材电子束焊接接头强度系数均大于0.9。这表现出了7715D高温钛合金具有良好的自焊性能。

试验温度(℃) σb(MPa)

室温              1205
450℃        816
550℃        732
650℃            514

表 2 7715D 高温钛合金板材焊接性能

四、结论

  1.7715D高温钛合金板材具有均匀的α+β双相混合型组织,在室温和高温条件下有比较理想的力学性能;

  2 7715D 高温钛合金板材电子束焊接接头强度系数均大于0.9,具有较好的自焊性能。

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