鈦合金是工程領(lǐng)域最重要的結(jié)構(gòu)材料.鈦合金“超塑成形／擴(kuò)散連接" ( "SPF/ DB" )是 一種低成本、高效益、近無余量的組合成形工藝， 在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器結(jié)構(gòu)件制造方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是 ，傳統(tǒng)的鈦合金DB/SPF組合工藝仍暴露出相當(dāng)多的問題和局限性，這種局限性均源于擴(kuò)散連接的固有特息（連接時(shí)間長、連接過程需較大壓力、對復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差等）。近年來國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)展鈦合金“熔焊 ／ 超塑成形”或“熔焊／ 擴(kuò)散連接／超塑成形”組合工藝，以替代或改進(jìn)現(xiàn)有DB/SPF工藝技術(shù)，目前，國內(nèi)外所涉及的熔焊方法主要有氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊、激光焊等。
很明顯，要能夠與超塑成形匹配形成組合工藝，所采用的焊接方法必須首先在焊接工藝特點(diǎn)上與超塑成形工藝相適應(yīng)，激光焊接能量密度高、焊接速度大，其焊縫寬度與鈦合金薄板多層結(jié)構(gòu)超塑成形的要求最為吻合，而且，與電弧類焊接方法（如氨弧焊、等離子弧焊等）相比，激光焊具有熱影響區(qū)窄、焊件變形小、焊縫組織細(xì)小等特點(diǎn)，有利于保證接頭的性能和超塑性，與真空電子束焊相比，無需真空條件且適合千焊接薄板，對結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)，是最適合與超塑成形技術(shù)匹配形成“激光焊／超塑成形”或“激光焊／擴(kuò)散連接／超塑成形”組合工藝的焊接方法。
本文將超塑成形(SPF)和激光焊接技術(shù)(LW)相結(jié)合，開發(fā)激光焊接／超塑成形組合工藝(LW/SPF), 研究TC4鈦合金激光焊板的超塑性變形行為，并采用激光疊焊／超塑成形制作四層結(jié)構(gòu)模擬構(gòu)件，驗(yàn)證 其工業(yè)應(yīng)用的可行性。
1、試驗(yàn)
試驗(yàn)材料為細(xì)晶TC4鈦合金板材 ，厚度為0.8mm, 鈦合金焊前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格清理，激光焊接設(shè)備使用本研究室的Lase4000C02軸流激光器，額定輸出功率為4kW, 光束模式為TEMOI, 透射鏡聚焦，焦距f=J90.5mm, 采用激光焊接獲得成 形良好的TC4鈦合金疊焊接頭。
2、結(jié)果與分析
2.1 TC4鈦合金激光疊爆接頭顯微組織
接頭截面組織，三維晶粒的不同取向使二維截面組織中的晶粒呈各種不同的形態(tài)， 合金元素在β相區(qū)溫度范圍內(nèi)的擴(kuò)散速率是在α相擴(kuò)散速率的100倍左右，柱晶區(qū)焊縫高溫停留時(shí)間長，原始β品粒粗大， 晶粒尺寸為0.3-0.8mm, 是母材晶粒尺寸的40-60倍，焊縫快速冷卻過程中原始β晶粒內(nèi)部發(fā)生馬氏體相變，針狀α'馬氏體相在原始β柱狀晶內(nèi)部形核長大，導(dǎo)致焊縫形成了典形的網(wǎng)籃狀組織。
上板焊縫和下板焊縫內(nèi)部組織，上板焊縫內(nèi)部馬氏體分布更密集， 這是由于上板焊縫吸收的激光能量大于下板造成的，激光能量作用越強(qiáng)，熔池的能量越高，其熔池?cái)嚢枳饔靡苍綇?qiáng)，馬氏體針分布更加密集，熱影響區(qū) (HAZ)為α+β+α ' 組織，該區(qū)域的針狀馬氏體比焊縫少, 也更加細(xì)小，由于熱影響區(qū)內(nèi)各部分與熔池距離的不同，所受的影響也不同 ，靠近熔合線部分較之遠(yuǎn)離熔合線的區(qū)域晶粒更為粗大 ，針狀馬氏體數(shù)量多且更密集。
2.2 TC4鈦合金激光疊焊板超塑性變形
TC4鈦合金激光疊焊板超塑性變形后，接頭區(qū)域均未斷裂，接頭與母材交界面未脫離，接頭表面未出現(xiàn)明顯的褶皺，疊焊試樣的峰值流變應(yīng)力低于56MPa , 延伸率可達(dá)530%, 表明TC4鈦合金疊焊試樣具有良好的超塑性變形能力。
超塑性變形溫度對焊板峰值流變應(yīng)力的影響 ，隱隨著變形溫度的升高，疊焊板的流變應(yīng)力減小，超塑性變形能力增加，在同一變形溫度下，峰值流變應(yīng)力隨著初始應(yīng)變速率的降低而減小。例如拉伸溫度恒定900℃條件下，初始應(yīng)變速率增加至10-2S-1，峰值流變應(yīng)力39.75MPa, 當(dāng)初始應(yīng)變速率為10-3S-l時(shí)，峰值流變應(yīng)力為10.5MPa。
在相同初始應(yīng)變速率條件下，延伸率隨溫度的升高而增加明顯。初始應(yīng)變速率對試樣的延伸率影響不是太明顯。這種現(xiàn)象是由于接頭對焊板超塑性變形頸縮與抗頸縮過程的阻硐作用引起的。
2.3 激光疊焊板超塑性變形顯微組織
通過900℃、I0-3S-1時(shí)激光疊焊接頭超塑性變形后各區(qū)域顯飯組織的拉伸方向，中間連接焊縫因承受剪切力而發(fā)生明顯錯(cuò)位，未發(fā)生變形的焊縫區(qū)域顯微組織，焊縫中心組織為長片狀組織，說明在高溫作用下，焊縫組織發(fā)生了由針狀馬氏體α'-α+β的 一次組織轉(zhuǎn)變，但由千此區(qū)域未受到應(yīng)力變形的作用，因此沒有發(fā)生片層組織到等軸組織的二次轉(zhuǎn)變。
發(fā)生變形的焊縫區(qū)域顯微組織，此區(qū)域的片層組織更加短小，分布也更雜亂，說明在變形應(yīng)力的作用下，片層組織發(fā)生了二次轉(zhuǎn)變，使得片層只有向等軸組織轉(zhuǎn)變的趨勢，然而由于與母材相比，焊縫發(fā)生變形所需應(yīng)力更大，因此轉(zhuǎn)變并不充分。
在熔合區(qū)右側(cè)為短小片層的焊縫區(qū)域 ，而左側(cè)為近等軸組織的熱影響區(qū)，且熔合區(qū)界限非常明。說明焊板超塑性變形過程中，接頭變形并不充分 ，組織轉(zhuǎn)變未能達(dá)到混合狀態(tài)，接頭各區(qū)域仍在原始組織的區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱影響區(qū)組織為近似等軸組織，中間夾雜部分細(xì)小片層。
2.4 TC4激光疊焊／超塑成形模擬件研制
將激光焊接試樣在真空條件下進(jìn)行超塑性脹形得到四層板結(jié)構(gòu)件，激光焊接試樣脹形試驗(yàn)的工藝參數(shù)為：變形溫度920℃ , 氣壓2MPa, 脹形時(shí)間lh, 零件最終品粒尺寸為5-7μm, 超塑成形／擴(kuò)散焊接試驗(yàn)工藝為：溫度920℃ , 氣壓 2MPa , 脹形時(shí)間3h。激光焊接試樣經(jīng)超塑性脹形成四層結(jié)構(gòu)件，采用激光焊／超塑成形組合工藝可制作符合使用要求的TC4 鈦合金四層結(jié)構(gòu)件，激光焊縫處完好無裂紋。
3、結(jié)論
1)疊焯焊縫組織為粗大的柱狀品 ，內(nèi)部為交織成的網(wǎng)籃組織，且上板焊縫中馬氏休分布更密集，熱影響區(qū)中存在少量細(xì)小馬氏體組織，且成梯度分布。
2)TC4鈦合金激光疊焊板具有良好的超塑性變形能力，疊焊接頭具備承受焊板超塑性變形的能力，接頭區(qū)域沒有發(fā)生斷裂，接頭與母材的界面也未出現(xiàn)脫離，試樣在母材破壞，但試樣的變形主要集中在母材。
3)激光疊焊／超塑成形組合工藝制作的四層結(jié)構(gòu)件大大降低了試樣在高溫的停留時(shí)間，零件最終晶粒尺寸為5-7μ m, 是擴(kuò)散連接／超塑成形組合工藝時(shí)試樣的品粒尺寸的一半，有利于增加零件的強(qiáng)韌性、抗疲勞等性能，提高零件使用壽命。
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