TA15钛合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)是一种高铝当量近α型钛合金，拥有优异的热强性、抗蠕变机能和优良的焊接工艺性，宽泛利用于航空工业造作飞机发起机零部件和焊接承沉部件，以及状态复杂且大型集成部件的造作[1-2]。随着现代航空发起机向高推沉比、高靠得住性和长命命方向发展，钛合金结构件的轻量化、整体化和精密化造作需要日益火急,传统的铸造和铸造工艺已难以满足复杂构件的造备要求。粉末冶金热等静压(hot isostatic pressing,HIP)技术通过在高温下对粉末施加各向均等静压力实现固结成形，可能解除铸造缺点、预防成吩飓析，有利于实现微观结构均匀性和晶粒精密化,在微观结构节造方面拥有显著优势[3-5]。近年来，HIP技术在航空领域利用宽泛，如粉末成形涡轮盘、机匣等部件已成功利用于先进航空发起机。然而，粉末HIP成形结构件在现实利用中不成预防线必要与铸造或轧造件进行焊接装配。因而系统评价粉末HIP成形TA15钛合金的焊接机能，对于确保航空发起机结构靠得住性和推广HIP技术的工程应器拥有沉要意思。氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)因其对装配精度要求较低、操作矫捷且适应性强，在航空领域被宽泛利用。TIG焊能够在焊接过程中引入氩气，以；ず阜烀馐茴延胙酢⒌⑻己颓庠谖露瘸500℃时化学反映的影响[6]。TIG焊接头通常由焊缝区(fusion zone,FZ)、扰装响区(heat-affected zone,HAZ)和母材区(base metal,BM)组成,然而由于热集中和高温，TIG焊接的TA15钛合金接头在受扰装响区和熔融区会出现粗颗粒，这影响了TA15合金TIG焊接元件的使用[7]。Ren等[8]钻研发现,TA15合金TIG焊接接头扰装响区和焊缝区形成的马氏体a'相可显著提高焊缝硬度，但会降低接头韧性。对于粉末HIP成形TA15合金而言，其原始组织为藐幼的网篮或双态组织，与锻件的双态组织存在差距，这种组织异质性可能导致焊接过程中界面过渡行为和组织演变机造的分歧,进而影响力学机能[9]。目前,国内表关于钛合金焊接机能的钻研重要集中于同种工艺造备的母材衔接，如锻件-锻件或铸件-铸件焊接，而针对分歧造备工艺(如HIP与铸造)组合的异种衔接钻研相对较少。Ren等[10]钻研了钨惰性气体焊接钛合金TA15在受拉伸和委顿载荷下的断裂行为。利用阶梯测试步骤，获得了钛合金的委顿概率S-N(P-S-N)曲线,发现TIG焊接的TA15拉伸断裂重要受焊件的几何状态和塑性变形能力影响。Wang等[11]钻研了TC17/TA15焊接接头的微观结构、机械和侵蚀性质。了局显示，焊接区(weldzone,WZ)中a相的比例随着热处置温度的升高逐步增长，由于再结晶领域增长，晶粒细化产生在热处置后，经过热处置，焊接接头的机械和耐侵蚀机能显著改善。然而，上述钻研均未涉及粉末HIP成形TA15合金与锻件的焊接行为，不足粉末冶金态钛合金焊接机能的系统数据。在航空发起机现实服役环境中，焊接结构不仅接受常温静载，还需在高温、循环载荷等复杂工况下持久工作，因而焊接接头的高温悠久机能和委顿机能尤为关键。钻研批注，TA15钛合金焊接接头在高温长时受力前提下，焊缝区粗壮的魏氏组织易成为裂纹萌生源，导致悠久寿命离散性增大[12]。此表，焊接接头的低周委顿机能直接影响发起机结构件的服役寿命，扰装响区的组织不均匀性和残存应力集中是委顿失效的重要诱因[13]。因而，发展粉末HIP成形TA15合金氩弧焊接头的室温/高温拉伸、高温悠久和低周委顿机能测试，揭示其失效机理，对于评价该资料的焊接合用性和造订焊接工艺规范拥有沉要工程价值。

综上所述，本文以粉末HIP成形TA15钛合金与铸造TA15合金为对象，选取氩弧焊工艺造备异种焊接接头，系统钻研接头的显微组织演变、力学机能匹配关系及断裂行为,沉点评价室温/高温拉伸机能、高温悠久机能和低周委顿机能,并与粉末/锻件母材进行对比分析。通过说明粉末HIP态与铸造态TA15合金焊接接头的组织机能特点，揭示焊接工艺对粉末冶金钛合金机能的影响法规,为航空发起机粉末成形结构件的焊接装配和靠得住性评估提供理论凭据与数据支持。

1、尝试资料和步骤

尝试合金别离为粉末HIPTA15合金和铸造TA15合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)。通过将等离子体旋转电子工艺造备的预合金TA15粉末封入直径40mm、高280mm的不锈钢容器中,随后在950℃、160MPa下进行5h热等静压，获得粉末HIP态TA15合金;通过线切割别离从粉末HIP TA15和铸造TA15合金所需尺寸的样品进行氩弧焊衔接。将沿铸造和粉末HIP态TA15合金，以及焊接接头切割的试样经过尺度金相抛光法式后，用Kroll试剂(HF:HNO3:H2O=1:3:7)蚀刻30s,用于显微结构表征。微观结构通过OLYMPUS/PMG3光学显微镜(OM)进行表征。通过线切割获取尺度的室温拉伸、高温拉伸、高温悠久以及低周委顿试样进行测试,评估焊接接头和粉末本体的力学机能。室温拉伸尝试选取DDL-100电子全能试验机;高温拉伸尝试在达到设定温度(225或500℃)后,保温20min再进行加载,确保试样温度均匀;低周委顿测试选取MTS 810型电液伺服委顿机在尝试室大气环境下进行，应力比R=0.1,循环频率f=0.5Hz,加载波形为三角波。同时通过VEGA3TESCAN扫描电子显微镜(SEM)上的背散射电子(BSE)模式进行断口表征,分析断裂机造。

2、尝试了局及会商

2.1初始组织

基于对TA15粉末热等静压态与锻态氩弧焊接头的系统表征,该接头形成了“锻态双态组织-焊缝魏氏组织-粉末HIP网篮组织”的组织配置。锻态TA15合金的双态组织源于α+β两相区的热机械加工,出现典型的“等轴初生α+片档次生α”复合描摹。β基体上散布着球形或近球形等轴初生α颗粒,尺寸均匀;次生片层a则在后续空冷过程中通过扩散型β→α相变析出，形成散布于β基体中的细密片层组织。在高温高压下,粉末热等静压态TA15合金的预合金粉末颗粒产生烧结、致密化与再结晶,原始β晶界因破碎或不陆续化而无法形成齐全的晶界a网络;晶内a片层在等静压应力作用下产生短粗化与交错分列,形成典型的网篮组织。与锻态双态组织中的a片层相比，HIP态网篮组织的α片层更短、更粗、交错编织,板条间距更幼。氩弧焊过程中，焊接电弧的热输入使近缝区急剧加热至β单相区,α相部门或齐全溶化并产生a→β转变，形成粗壮β晶粒;随后较快冷却时,β相通过扩散型相变析出齐全晶界α,晶内片层a规定分列成集束，导致该区域的原始β晶粒及魏氏组织集束尺寸较为粗壮。然而，由于焊接冷却速度较快,这些粗壮集束内部析出的次生a针状板条产生了显著细化，最终形成这种特定状态的魏氏组织。由此形成了锻态端双态组织、焊缝魏氏组织、粉末HIP态网篮组织的组织配置。

2.2拉伸机能及断裂行为

TA15钛合金粉末-锻件焊接接头的室温拉伸试验了局如表1所示，对应的粉末本体室温拉伸机能见表2,对应的拉断试样如图2a所示,了局批注，该焊接工艺实现了较为梦想的冶金结合。接头均匀屈服强度达到947.3MPa,抗拉强度达到999MPa,相较于粉末冶金本体别离提升了3.7%和1.4%,强度指标已靠近TA15锻件母材的典型机能水平。但焊接接头的塑性指标出现显著降落趋向，均匀断后伸长率仅为10.3%,较粉末冶金本体(13.6%)降低约24.3%，这一塑性损失幅度在钛合金异种资料焊接中属于中等水平。断裂地位分析批注,3件试样中2件断于粉结尾,1件断于锻件端,未见焊缝中心断裂,注明焊缝自身强度储蓄充足,并非接头最幽微环节,但同时也反映了焊缝区强度的不均匀性。这重要由于锻件母材双态组织、粉末本体网篮组织与焊缝魏氏组织的三元组合，形成怪异的组织梯度，决定了接头的变形行为和断裂特点[14]。锻件母材双态组织兼具强杜纂塑性,粉末本体网篮组织塑性较好但强度略低，焊缝区由于集束内部析出的α片层显著细化，提高焊缝强度[15]，但统一粗壮集束内的片层取向单一，变形协调性差，拉伸过程中片层界面易开裂形成微裂纹源。若靠近粉末侧的区域因原始孔隙残留或氧化膜未齐全破碎，或靠近锻件侧的区域则可能因热输入颠簸导致魏氏组织粗化，均会形成部门弱区。因而，微裂纹偏差于向邻近一侧偏转，最终导致断裂地位偏离焊缝中心。与航空领域常用焊接工艺对比[16],电子束焊接TA15锻件-锻件接头强度系数约0.90,塑性系数约0.65,断裂多位于焊缝中心。本钻研粉末-锻件焊接接头强度系数0.95,塑性系数0.76,断裂地位分散,显示出较优的综合机能。然而,魏氏组织的固有脆性仍是造约接头塑性的关键成分,后续可通过优化焊接热输入或执行焊后热处置细化焊缝组织,进一步改善接头塑性。

表1 粉末-锻件氩弧焊接接头室温拉伸机能

Tab.1 Room-temperature tensile properties of the powder-forging TIG welded joint

表2 粉末本体室温拉伸机能

Tab.2 Room-temperature tensile properties of the PM material

TA15钛合金粉末-锻件焊接接头与对应的粉末本体的225℃高温拉伸试验了局列于表3和表4,对应的拉断试样如图2b所示。

了局批注,接头均匀屈服强度为685.6MPa,抗拉强度为836.6MPa,断后伸长率为11.8%。与室温机能相比,屈服强度和抗拉强度别离降低27.6%和16.3%,伸长率较室温提高14.6%,屈强比从0.95降至0.82。由于225℃时锻件双态组织中的等轴α相产生热软化,粉末侧网篮组织的α集束粗化固然缓解了室温时的脆性,但使其承载能力降落[17]。此表，焊缝魏氏组织的片层界面扩散蠕变变形机造的染指，即225℃时位错攀移和晶界滑移启动,使应力沉新散布,魏氏组织片层界面通过扩散协调变形，延缓了裂纹萌生[18]。与粉末本体相比,225℃时接头强度仍维持优势，屈服强度提高2.9%,抗拉强度提高2.0%,但塑性显著降落，仅为粉末本体的56.2%，注明高温服役时接头的塑性匹配性更差。断裂地位分析批注,3件试样中2件断于粉结尾，1件断于锻件端，与室温断裂法规一致,但断裂地位与强度水平的关联性加强,锻件端断裂试样的屈服强度略高于粉结尾断裂试样,这是由于粉末侧扰装响区高温强度不变性不及。这种三元组织的异步软化导致接头与母材的机能失配加剧。本钻研氩弧焊接头225℃强杜纂TA15激光焊接头250℃水平相当[19],但塑性显著优于典型熔焊接头[16,20],注明选取氩弧焊焊接TA15粉末-锻件的资料高温不变性更好。

表3 粉末-锻件氩弧焊接接头225℃拉伸机能

Tab.3 Tensile properties of the powder-forging TIG welded joint at 225℃

表4 粉末本体225℃拉伸机能

Tab.4 Tensile properties of the PM material at 225℃

TA15钛合金焊接接头在室和善225℃两种温度前提下的拉伸断口如图3所示。两种断裂行为均阐发为典型的韧性断裂机造,但从宏观到微观尺度均出现出显著的差距特点。室温前提下，断口宏观描摹粗糙不平、升沉显著，微观上出现尺寸较大且散布不均匀的韧窝结构，并伴有显著的扯破棱和塑性变形痕迹，批注室温断裂过程中资料经历了充分的塑性变形，裂纹扩大蹊径崎岖，能量吸收能力较强。当温度升高至225℃时，断口宏观描摹变得相对平坦光滑，升沉水平显著降低，微观尺度发现韧窝尺寸显著细化、散布越发均匀致密，密度显著增高。这种韧窝描摹的细化景象重要归因于高温环境下资料内部动态回复和再结晶过程的加强，使位错活动方式产生扭转，同时晶界滑移机造越发活跃，从而导致微孔洞形核增多而长大减缓。但拉伸了局显示，TA15钛合金焊接接头在225℃高温下拉伸伸长率高于室温，这重要归因于高温激活的动态回复机造使位错持续湮灭、加工硬化率降低，同时多系滑移和晶界滑动协调作用加强[21],从而缓解应力集中使资料在断裂前累积更大宏观应变，变形越发均匀而延长颈缩，赋予了其优良的中温塑性储蓄和危险容限个性。

2.3高温悠久机能及断裂行为

高温悠久机能测试批注，粉末本体凭借高相界面密杜纂裂纹偏转能力，展示出优异的高温悠久机能，在500℃/470MPa前提下50h未粉碎，见表5。而接头高温悠久机能离散性显著(30~60h),且100%断裂于焊缝，寿命最短30h55min，仅为母材的62%，见表6。在500℃/470MPa前提下,HIP母材的悠久寿命达到50h未断裂，处于行业中等水平，根基满足航空尺度对棒材的最低技术要求(≥50h);粉末-锻件焊接接头的悠久寿命仅为30~60h且全数断裂于焊缝。

表5 粉末本体高温悠久测试了局

Tab.5 High-temperature stress rupture test results of the PM material

表6 粉末-锻件焊接接头高温悠久测试了局

Tab.6 High-temperature stress rupture test results of the powder-forging welded joint

图4展示了TA15粉末-锻件焊接接头高温悠久测试前后的试样状态。由初始状态能够看出，试样整体齐全无变形，焊缝区域可见。高温悠久测试后，试样表表色彩变深，呈灰玄色，高温氧化显著。试样1和2已经断裂，断裂地位都在焊缝区域(中央较窄处)。试样3未断。断裂只产生在焊缝处，注明焊缝是幽微环节，只管魏氏组织内部的α片层较细,但其粗壮的集束天堑与陆续的晶界a在高温长时拉应力下容易成为蠕变失效的优先通路。

图5为TA15粉末-锻件焊接接头高温悠久断口描摹。由图5a可见，断口为典型“冰糖状”沿晶断裂描摹,表表出现多面体晶粒概括,晶粒间界面清澈,形成类似“冰糖”或“岩石”的立体描摹,可见显著的晶界台阶和棱线。这种宏观描摹是高温蠕变沿晶断裂的典型标志,批注断裂过程受晶界节造,而非晶内滑移主导。放大观察其微观特点，如图5b所示？杉肀砉饣教，以及α片层的层状痕迹(片状α的解理面),但无韧窝结构。这种脆性沿晶断裂描摹证实了前文猜测的陆续晶界a是裂纹扩大的优先通路。

2.4室温及高温低周委顿机能及失效机理

只管静载拉伸机能优异，但在交变载荷作用下，粉末-锻件焊接接头阐发出了与拉伸齐全分歧的危险累积行为。为了全面评估其服役靠得住性，别离在室温及高温环境下对其进行了低周委顿测试，其了局见表7。

在室温前提下,选取缺口试样(K=3,图6a)仿照结构件在现实服役过程中可能存在的应力集中情况。尝试了局显示，在350MPa的循环应力作用下,3组试样的实测寿命别离为14167、14398和17848周次，阐发出优良的一致性，批注该粉末-锻件焊接接头在常温、高应力集中环境下拥有较高的安全裕度。此表,所有试样均断裂于焊缝处,只管静载拉伸时焊缝强度高于基材，但在K=3的强缺口敏感性下，与粉末基体藐幼的网篮组织相比，焊缝区由于集束尺寸较大导致循环变形的均匀性较差，缺口根部的部门塑性变形使得微裂纹易在粗壮的魏氏组织集束天堑或原始β晶界处优先萌生。

在225℃、最大应力提高至680MPa的光滑试样(K=1,图6b)测试中,焊接接头的委顿行为出现出分歧的特点。只管其均匀寿命仍维持在万幼时量级，但数据离散性显著增长(最低6133周次，最高13417周次),同时其断裂也不再局限于焊缝中心,而是扩大至锻件侧及粉末侧的焊缝边缘。这些了局批注焊接接头在高温高应力下拥有组织敏感性，此时的尝试温度(225℃)已进入资料的蠕变-委顿交互作用区间,组织中的微观缺点及晶界状态对委顿寿命的贡献被放大，在光滑试样中，组织梯度最大的焊接熔合区成为了服役过程中的幽微区域。

表7 粉末-锻件焊接接头低周委顿测试了局

Tab.7 Low-cycle fatigue test results of the powder-forging welded joint

选取SEM别离对室温及高温委顿试样断口描摹进行分析，了局如图7所示。从图7a和b断口宏观描摹中能够发现，室温及高温低周委顿断口能够分为委顿源区、裂纹扩大区及瞬断区。对于室温委顿试样，委顿源清澈地发源于缺口根部的表表地位(图7c),出现出典型的多源萌生特点;断口宏观较为平坦，注明在较低应力下，裂纹起裂受到几何缺口主导。而高温委顿试样中可见裂纹有时发源于靠近表表的组织不均匀处，在高温高应力作用下，断口描摹变得越发粗糙，反映了高温下资料部门塑形变形的增长及组织敏感性的提升。

在裂纹扩大区能够观察到典型的委顿条带及次生裂纹。这些清澈的委顿条带垂直于裂纹扩大方向分列,由于焊缝区为粗壮的魏氏组织,这些条带在逾越分歧取向的α片层集束时产生显著偏转,导致扩大蹊径崎岖，这种“穿晶+沿片层”的扩大模式亏损了更多的断裂能。同时，在扩大区观察到少量的次生裂纹(图7d),注明在交变载荷下,魏氏组织的片层界面成为了应力松弛的地位，从而有助于延缓主裂纹的扩大速度。

在断口结尾能够观察到大量的等轴韧窝和扯破棱,相比之下,高温委顿试样的韧窝尺寸更大且散布更为密集，阐发出更好的动态塑性。然而，由于高温加快了氧化及蠕变危险，使得裂纹萌生功夫缩短，从而导致了高温下整体寿命的降落及离散性增大。

综合来看，由于断裂均产生在焊缝或焊缝边缘，断口分析进一步证了然魏氏组织是委顿幽微区,粉末-锻件接头的委顿机能受到几何和环境成分的双沉影响。粉末侧藐幼的网篮组织拥有较多的相界面，能有效故障裂纹扩大,阐发出比焊缝魏氏组织更优的抗委顿机能;接头由拉伸时的基材断裂演变为委顿时的焊缝或焊缝边缘断裂，底子原因在于循环载荷对显微组织不均匀性的敏感度远高于单向静载。焊缝区由于冷却速度变动导致的组织粗化使其在抵抗交变剪切应力和循环软化方面弱于经过热等静压的粉末基体。

3、结论

(1)粉末HIP成形TA15钛合金氩弧焊接头室温强度达到母材水平(接头系数1.0),实现等强匹配,但塑性降落约24%，断裂地位分散于焊缝两侧，反映组织梯度导致的部门机能不均。焊缝区集束粗壮但内部α板条细化的魏氏组织与两侧母材组织差距显著，形成“软-硬-软”眉山治结构，决定了接头的变形协调与断裂行为。

(2)225℃高温拉伸出现“强度损失幼、塑性改善”特点，强度维持率84%，伸长率较室温提高14.6%。但高温悠久机能露出显著短板,500℃/470 MPa下接头寿命仅30~60h且100%断于焊缝，魏氏组织粗壮的集束天堑及晶界α相在高温长时拉应力下成为蠕变裂纹优先通路，导致悠久寿命离散且远低于母材(>50h)。

(3)低周委顿机能出现温杜纂应力有关性。室温高应力缺口试样(K=3)委顿寿命14000~18000周次,断裂于焊缝中心;225℃试样委顿寿命离散性大(6000~13000周次),断裂扩大至焊缝边缘。循环载荷下组织敏感性远高于静载，魏氏组织的粗壮集束天堑成为裂纹萌生源和扩大通路，而粉末侧细密网篮组织的相界面有效故障委顿裂纹扩大。

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（注，原文标题：粉末HIP成形TA15钛合金氩弧焊接头组织与机能钻研_阴中炜）