TC4钛合金的材料特点及焊接性能

(一)钛合金的材料特点:密度小(约4.5g/cm3),抗拉强度高(441~1470MPa),即比强度大(强度/密度)大。在海水及大多数酸、碱、盐介质中均具有较优良的抗腐蚀性能。
(二)合金的焊接性能,具有许多显著特点,这些焊接特点是由于钛合金的物理化学性能决定的。
  1. 气体等杂质污染引起焊接接头脆化
  在常温下,钛及钛合金是比较稳定的。但在焊接过程中,液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用,而且在固态下,这些气体已与其发生作用。随着温度的升高,钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升,大约在250℃左右钛开始吸收氢,从400℃开始吸收氧,从600℃开始吸收氮,这些气体被吸收后,将会直接引起焊接接头脆化,是影响焊接质量的极为重要的因素。
  (1)氢是影响
  氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著,其主要原因是随缝含氢弹量增加,焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2强度很低,故片状或针状卫HiH2的作用例以缺口,合冲击性能显著降低;焊缝含氢量变化对强度的提高及塑性的降低的作用不很时显。
  (2)氧的影响
  焊缝含氧量基本上是随氩气中含氧量增加而直线上升的随焊缝含氧量上升,焊缝的硬度和抗拉强度明显增加,而塑性却显著降低。为了保证焊接接头的性能,在焊接过程中应严防焊缝及焊接热影响区发氧化。
  (3)氮的影响
  在700℃以上的高温下,氮和钛发生剧作用,形成脆硬的氮化钛(TiN)而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度,比等量的氧引起的后果更为严重,因此,氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度,降低焊缝的塑性性能比氧更为显著。当焊缝含氮量在0.13%以上是,焊缝由于过脆而产生裂纹。
  (4)碳的影响
  碳也是钛及钛合金中常见的杂质,实验表明,当碳含量为0.13%以下时,碳因深在α钛中,焊缝强度极限有些提高,塑性有些下降,但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时,焊缝却出现网状TiC,其数量随碳含量增高而增多,使焊缝塑性急剧下降,在焊接应力作用下易出现裂纹。当焊缝含碳量为0.55%时,焊缝塑性几乎全部消失而变成非常脆的材料。焊后热处理也无法消除此种脆性。我国技术条件规定,钛合金母材的含碳量不大于0.1%,焊缝含碳量不超过母材含碳量。
  2.钛合金焊缝缺陷及产生机理
  大约在250℃左右钛开始吸收氢,从400℃开始吸收氧,从600℃开始吸收氮,而空气种含有大量氮和氧。在进行钛合金焊接时,因氩弧焊枪形成的氩气气体保护层只能保护好焊接熔池不受空气的有害作用,而对已凝固而处于高温状态附近的焊缝及其附近区域则无保护作用,而处于这种状态的钛管焊缝及其附近的区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力。随氧化程度逐步加重,钛合金焊缝颜色发生变化及焊缝塑性下降的规律。银白色(无氧化),金黄色(TiO,轻微氧化),蓝色(Ti2O3 ,氧化稍为严重),灰色(TiO2,氧化严重)。
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