钛及钛合金焊接接头表面纳米化研究现状

第4l卷第6期 2013年12月 金属材料与冶金 METALMATERIALSANDMETALLURGYENGINEERING V01．41NO．6 Dec2013 钛及钛合金焊接接头表面纳米化研究现状 康彦1，何晓梅z (1．西部钛业有限责任公司，陕西 西安710201； 2．西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安710055) 摘 要：概述了表面纳米化技术及焊接接头表面纳米化的研究进展，了目前钛及钛合金焊接接头性能 研究存在的问题与不足。表面纳米化技术能够降低焊接接头的应力集中，调整焊接残余应力场；细化晶粒， 改善组织形态，实现组织均匀化；提高疲劳强度，延长疲劳寿命；对硬度和耐磨性等也能产生有利的影响。 展示了钛合金焊接接头表面纳米化的研究意义与应用前景。 关键词：表面纳米化；工业纯钛；钛合金；焊接接头：性能 中图分类号：TGl46．2+3文献标识码：A 文章编号：2095—5014(2013)06—0055—04 ResearchingStatusofSurfaceNanocrystallization forCommerciallyPureTitanium andTitaniumAlloysWeldJoints KANGYanl．HEXiao—mei2 (1．WesternTitaniumTechnologiesCo．，Ltd．，Xian710201，China； 2．SchoolofMetallurgicalEngineering，XianUniversityof ArchitectureandTechnology，Xian710055，China) ABSTRACT：Theresearchprogressesofsurfacenanocrystallizationandweldingjoints treatedbysurfacenanocrystallizationweresummarized，andthemainproblemsandrecent developingfocusandgoalswereoutlined．Thesurfacenanocrystallizationcannotonlyreduce thestressconcentrationintheweldtoeandadjustweldingresidualstressfield，butalsocan refinethegrain，improvefatigueperformanceandcorrosionresistanceperformance．Soit showedtheresearchsignificanceandapplicationforegroundinthefutureofweldedjoint treatedbysurfacenanocrystallization． KEYWORDS：surfacenanocrystallization；commerciallypuretitanium；titaniumalloy； weldjoints；properties 钛及钛合金是一种具有熔点高、密度小、 强度高，同时具有良好耐热及耐腐蚀性等一系 列优异性能的T程结构材料，其比重、强度和 使用温度介于铝和钢之间，并且具有优异的抗 海水腐蚀性能和超低温性能。因此，被广泛地 应用于航空航天领域。此外，钛及钛合金在兵 收稿日期：2013—11—20 {基金项目：陕西省教育厅2013年科学研究(自然科学专项)项目(编号：2013JK0903) 作者简介：康彦，男，T程师，硕士。主要研究方向：钛及钛合金加工。 万方数据 56 金属材料与冶金工程 V01．4lNO．6 器、能源、医药、化工、海洋和体育休闲等领 域的应用需求也在日益增加。 相关资料表明．高性能钛及钛合金在航空 航天上的应用占到了钛材总产量的70％左右⋯。 随着航空发动机向大推力、高推重比、高可靠 性方向发展，航空发动机结构越来越多的采用 焊接结构。采用焊接结构具有重量轻、效率高、 零件少、故障少和可靠性高的特点，可克服传 统联接．如螺栓、榫头、榫槽联接在这些方面 的不足。但焊接技术本身所固有的快速加热和 冷却以及添加焊接材料的工艺特点决定了焊接 接头组织(可简单地划分为焊缝、热影响区母 材)及性能的不均匀，这种不均匀使焊接接头 成为薄弱环节和失效的主要原因之一【2。而对于 焊接接头而言，与大多数材料的失效相同都是 首先起始于接头的表面[3]。大量统计资料【41表 明．由于疲劳引起的焊接结构断裂事故占总断 裂失效事故的90％左右。焊接接头附近区域存 在应力集中、残余拉伸应力和焊接缺陷是导致 疲劳断裂的主要原因[5]。因此，采取必要的焊后 处理消除焊接接头的组织与性能的不均匀性是 是焊接技术需解决的关键问题之一，也是提高 焊接接头服役行为的有效途径之一。 与常规的粗晶材料相比．纳米材料具有独 特的力学性能。如超高强度、硬度及耐腐蚀好、 塑性韧性高等优势。因此在材料表面形成纳米 晶将对提高材料的表面甚至整体性能具有显著的 帮助。本文概述了表面纳米化技术在金属材料、 焊接接头、特别是钛及钛合金焊接接头上的研 究现状．分析了目前研究中存在的问题与不足。 1 表面纳米化国内外研究现状 金属表面自身纳米化是由卢柯等哺1率先提出 的．它是在外加载荷的重复作用下，材料表面 的粗晶组织通过不同方向的强烈塑性变形而逐 渐细化至纳米量级。研究表明，表面纳米化技 术在材料表面形成表面纳米层，从而提高表面 的硬度和强度，同时材料内部保存粗品的良好 塑性．使得材料的综合力学性能显著提高。最 近．不少研究将表面纳米化技术应用于金属材 料的焊后处理中，研究表明，利用表面纳米化 技术可明显提高焊接接头的综合力学性能。 近年来．中科院、大连铁道、上海交大、宝 钢等单位对金属材料表面纳米化技术相继开展了 大量研究。至目前为止，高能喷丸(HESP)171， 超声喷丸(USSP)18]，表面机械研磨(SMAT)191， 超声冲击处理(UIT)m]和激光冲击处理 (LSP)⋯·121已成功地应用于生产不同种金属和复 合材料纳米结构表面，并对其表面纳米化处理 后的组织和力学性能进行了一系列的研究。研 究结果表明，低碳钢【13·14]经过60min的SMAT 后表面硬度提高了两倍以上，同时改变了材料 表面的摩擦磨损行为[151。表面纳米化可提高材 料表面的抗冲击性能116]，在试验初期，表面纳 米化材料的抗冲击性能明显优于处理前，由于 表层纳米晶随冲击次数的增加而逐渐消失，两 者的差距逐渐减小。LiuGE171等研究表明，在对 低碳钢表面纳米化后，能够有效地提高材料的 整体强度．同时又不会明显地降低材料的韧性。 石东艳【18】等对316L不锈钢进行表面纳米化处 理．经过处理后的材料的疲劳寿命会大大提高。 卢柯对316L不锈钢进行了表面机械研磨，以及 处理后进一步退火处理的疲劳试验研究[19。，结 果显示疲劳极限最高提高2l％。 2 焊接接头表面纳米化研究现状 在焊接接头的表面纳米化研究方面，李 东[20,211等对SS400钢焊接接头的表面进行高能 喷丸处理。实现表面纳米化。结果表明，高能 喷丸处理可以实现焊接接头表层组织均一纳米 化和表层硬度均一化．高能喷丸处理在表面形 成残余压应力是其焊接接头应力腐蚀性能提高 的主要原因．而表面纳米强化层在提高接头疲 劳寿命方面起到较大的作用。张淑兰[991等利用 表面机械研磨法对工业纯钛焊接接头的表面进 行处理，经处理后样品表面在残余应力和纳米 晶作用下使焊接接头硬度、耐盐酸腐蚀性能均 有所提高。王吉孝等[231对OCr。8Ni9Ti奥氏体不 锈钢和16MnR低合金钢焊接接头进行了超音速 颗粒轰击。结果表明，表面纳米化不仅可以使 焊接接头硬度得到均一化，而表层形成的超细 等轴纳米晶以及压应力协同作用改善了焊接接 万方数据 2013年第6期 康彦等：钛及钛合金焊接接头表面纳米化研究现状 57 头拉伸性能和抗硫化氢应力腐蚀性能。在对 SS400钢m】，X80管线钢汹]．AZ31镁合金【筠。， 7075铝合金，TC4钛合金和GH536高温合金田] 焊接接头表面纳米化处理后，表面形成的残余 压应力可以明显提高焊接接头的疲劳性能。赵 小辉等㈣在对TC4钛合金TIG焊十字接头在应 力比R=0．1和R=0．5两种情况下．进行了超声 冲击处理前后的疲劳试验。疲劳试验结果表明： 在应力比R=0．1的加载条件下．超声冲击处理 使TC4钛合金十字接头的疲劳强度比原始焊态 提高了约76％；在应力比R=0．5加载条件下， 超声冲击处理使TC4钛合金十字接头疲劳强度 提高了约73．5％；认为接头焊趾区的几何外形， 残余应力场和焊趾部位显微缺陷减少，是表面 纳米化后焊接接头疲劳性能提高的原因。 在焊接接头表面纳米化研究上虽然涉及表 面纳米化焊接接头的性能．但其研究均具有一 定的局限性。大部分研究认为。表面纳米化后 材料的性能，尤其是疲劳性能，得以明显改善 的主要原因是其表面形成的残余压应力。没有 研究者就高能喷丸纳米化对焊接接头中表层纳 米晶和变形层对力学性能的影响进行过模拟或 是实验研究。然而，Nikitin(281和Nalla(驯通过对 喷丸试样在合适温度下的退火，完全去除了试 样中的残余应力而保留了变形层，结果表明， 变形层可以有效提高材料的疲劳性能。Hanlon(圳 等在对电沉积纳米晶纯Ni和液氮球磨超细晶Al —Mg合金研究中发现，晶粒细化的纳米强化表 层有利于提高材料的滑移抗力，阻碍微裂纹的 扩展和联接，从而提高材料的疲劳性能。Dai(31] 和yangt引的有限元模拟结果也显示．表面纳米 化材料中，表面的纳米层和变形层比残余应力 对疲劳性能提高的贡献更大。喷丸强化和高能 喷丸的区别在于，高能喷丸有更高的动能，可 以形成更深的变形区域、更高的残余压应力和 一定厚度的纳米层[33]。而到目前为止，只有李 东[20-2·1等采用预先拉伸的，消除了高能喷丸 对SS400钢焊接接头表面带来的残余应力，研 究了表面纳米化材料去除表面残余应力后，对 其疲劳性能的影响，证实表面纳米强化层在提 高接头疲劳寿命方面起到较大的作用。但并没 有进行表面纳米层和变形层对焊接接头性能影 响的系统的研究。 3 钛及钛合金焊接接头性能研究存 在的不足与研究趋势 在钛及钛合金方面．张淑兰旧1对工业纯钛 焊接接头实现了表面纳米化并对其性能进行了 研究．结果表明表面纳米化处理后的焊接接头 晶粒尺寸大约为50nm左右。处理后的焊接接 头表面各区显微硬度趋于一致．可以提高工业 纯钛焊接接头在室温下耐20％盐酸的腐蚀性能。 文献『34]采用超声波冲击技术对工业纯钛进行 表面纳米化处理后．在107循环次数下的疲劳 极限比粗晶退火态试样提高了37％。温爱玲等㈣ 的研究表明，高能喷丸表面纳米化处理使TA2 的疲劳极限提高了34％，由退火态的220MPa 提高到295MPa。等轴晶TC4疲劳极限提高了 20％，由退火态的485MPa提高到580MPa。以 上的研究数据表明．随表面纳米化技术的不断 发展．考虑将表面纳米化技术实时应用于焊接 过程当中．有望细化晶粒，提高焊接接头的性 能．因此这将是今后一个很有价值的研究方向。 但到目前为止．钛合金焊接接头力学性能的研 究仍处于初级阶段，其中，力学性能与微观组 织关系的研究不够深入：表面纳米化技术提高 材料尤其是钛合金的焊接接头力学性能特别是 疲劳寿命的机理的研究还未见报道。因此，针 对表面纳米化后钛合金微观组织及残余应力对 力学性能特别是疲劳性能的影响开展系统的研 究工作．为确保钛合金焊接结构的安全性具有 较大的现实意义。 4 结 语 以上的研究结果表明．表面纳米化能够降 低焊接接头的应力集中，显著减小接头附近的 残余拉应力，调整焊接残余应力场：改善组织 形态，细化品粒至纳米晶，实现组织均匀化； 提高疲劳强度，延长材料疲劳寿命；对硬度、 耐腐蚀性和耐磨性等也能产生有利的影响。因 此．表面纳米化处理在焊接接头的焊后处理的 应用会越来越普遍，具有很大潜力。而钛合金 万方数据 58 金属材料与冶金工程 V01．4lNO．6 在航空航天中的越来越多焊件的使用，使钛合 金焊接接头的表面纳米化技术将成为今后一个 很有价值的研究方向。 参考文献： [1]曹春晓．航空用钛合金的发展概况[J]．航空科学技 术，2005，(4)：3—6． [2]张文钺．焊接冶金学[M]．北京：机械工业出版社， 1997．278—287． [3]TricoteauxA，FardounF，DegallaixS，eta1． Fatiguecrackin‘i’ti’ati’onlifepredictionin high strongthsteelweldedjoints[J]FatigueFractEng． Struct，1995，18：189—202． [4]霍立兴．焊接结构的断裂行为及评定[M]．北京： 机械工业出版社．2000． [5]张兆栋，刘黎明，王来．镁合金活性TIG焊焊接 接头组织特征分析[J]．焊接学报，2004，25(4)： 55—58． [6]LuK，LuJ．SurfaceNanocrystallization(SNC)of materials-presentationoftheconceptbehindanew approach[J]．Mater．Sci．Techn01．，1999，15：193 —197． [7]LiuG，WangSC，LouXF，eta1．Lowcarbon steelwithnanostructuredsurfacelayerinducedby high—energyshotpeening[J]．ScriptaMaterialia， 200l，44(8／9)：1791—1795． [8]TaoNR，SuiML，LuK．Surfacenanocrysta— llizatienofironinducedbyultrasonicshotpeening [J]．NanostruetMater，1999，ll：433-437． [9]张洪旺，刘刚，黑祖昆，等．表面机械研磨诱导 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一步的研究和完善，从而控制和优化界面。提 高AZ91镁基复合材料的性能。 参考文献： [1]李冠群，吴国华，樊昱，等．主要合金元素对镁 合金组织及耐蚀性能的影响[J]．铸造技术，2006， 27(1)：79—83． [2]刘斌，刘顺华，金文中．稀土在镁合金中的作用 和影响[J]．上海有色金属，2003，24(1)：27—31． [3]马刚，郭胜利．稀土在镁合金中的应用[J]．宁夏 工程技术，2005，4(3)：268—272． [4]陈振华．镁合金[M]．北京：化学工业出版社，2004． [5]中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册(第三 卷)[M]．北京：机械工业出版社，1993．183． [6]李金锋，耿浩然，杨中喜，等．稀土元素对AZ91 镁合金显微组织及硬度的影响[J]．铸造设备研究， 2005，(1)：20—22． [7]裴利霞，张金山，高义斌，等．稀土元素镧对AZ91 镁合金显微组织及硬度的影响[J]．铸造设备研究， 2005，2(1)：20—22． [8]赵源华，陈云贵，唐永柏，等．Nd和Ce对AZ9l 镁合金组织和力学性能的影响[J]．特种铸造及有色 合金，2009，29(1)：69—72． [9]陈芙蓉，李仕慧，郭锋，等．铈对AZ91D镁合 金组织和力学性能的影响[J]．铸造技术，2009，30 (2)：203—206． [10]黄正华，郭学峰，张忠明，等．铈对铸造镁合金 AZ91D显微组织与力学性能的影响[J]．稀有金属， 2004，28(4)：683—686． [11]王小强，李全安，张兴渊，等．Nd对AZ91镁合金 组织和高温力学性能的影响[J]．材料导报，2007， 2l(Z2)：72—76． [12]刘海峰，侯峻，刘耀辉，等．[J]．铸造，2002， 52(6)：330． [13]余琨，黎文献，张世军．Ce对镁及镁合金中晶粒 的细化机理[J]．稀有金属材料与工程，2005，(7)： 33—69． [14]李金锋，耿浩然，杨中喜，等．钇对AZ91镁合金 组织和力学性能的影响[J]．铸造，2005，54(1)：53． [15]日本科学家开发出高强度镁合金材料[J]．国外科技 动态，2001，(4)：481． [16]李明照，马非，王社斌，等．高强度镁合金的研 究与开发[J]．太原理工大学学报，2005，Sl：11． 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