發布日期：2026-1-9 16:27:46
前言
鈦及其合金由于具有密度小、比強度高、良好的塑性和韌性及優異的耐腐蝕性，廣泛應用于航空航天、航海造船、車輛工程、生物醫療、石油化工等行業[1-5]。優良的力學性能和耐腐蝕性能使得TA2在石化行業備受青睞，在熱交換器及各種化學反應容器等產品上得到了有效的應用[6-8]。由于TA2存在易吸氫、易氧化、不易焊接等特點[9-11]，目前大多數研究主要集中在焊接方式的選擇和焊接工藝控制兩方面，而對于焊接接頭的微觀組織、力學性能及耐腐蝕性能的研究較少，因此深入研究TA2焊接接頭的微觀組織、力學性能及電化學耐蝕性能,可更好的為涉及TA2材質的工業化應用及產品生產制造提供理論借鑒及工程應用參考。
1、試驗材料與方法
1.1試驗用母材選取厚度為10mm的TA2試板，焊材選用焊絲ERTA2ELI，材料化學成分詳見表1。
1.2焊接方法及工藝參數
裝配前用化學試劑( VHF:V HNO3:VH2O =4:17:79)對TA2試板及焊絲ERTA2ELI進行酸洗，用水清洗干凈。焊前使用無水乙醇再次對TA2試板及焊材進行擦拭，采用TIG焊方法進行焊接，焊接過程中采用接觸式測溫儀對試件進行測溫，保證試件最大層道間溫度≤120℃，鎢極直徑2.4mm，電流衰減時間4~5s，保護氣體:≥99.99%Ar，保護氣體壓力為3MPa(保護氣體、尾部保護氣體)及5MPa(背面保護氣體)，提前通氣時間10~15s，延后停氣時間25~30s，其余焊接工藝參數詳見表2。
表1 TA2試板及焊絲化學成分
| 材料 | 化學成分/% | |||||
| w(Fe) | w(C) | w(N) | w(H) | w(O) | w(Ti) | |
| TA2 | 0.04 | 0.02 | 0.01 | 0.002 | 0.14 | 余量 |
| ERTA2ELI(焊絲) | 0.05 | 0.01 | 0.012 | 0.001 | 0.08 | 余量 |
表2 TA2試板焊接工藝參數
| 層數 | 焊接方法 | 焊材直徑/mm | 電源極性 | 焊接電流I/A | 電弧電壓U/V | 焊接速度v/(cm·min-1) | 保護氣體流量q/(L·min-1) |
| 1 | TIG(M-GTAW) | 2.4 | DCEN | 100~120 | 9~12 | 6~10 | 16~20(正面) |
| 2~4 | TIG(M-GTAW) | 2.4 | DCEN | 120~140 | 11~14 | 6~10 | 22~25(尾部) 15~20(背面) |
1.3試驗方法
TA2試板在焊接完成后進行射線檢測(RT)及滲透檢測(PT)，未發現缺陷。使用WE-60液壓萬能材料試驗機進行拉伸試驗及彎曲試驗，使用Kroll試劑對金相試樣進行腐蝕，使用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡對焊接接頭微觀組織進行觀察，使用NI500金屬擺錘沖擊試驗機進行焊接接頭的沖擊試驗，使用HVS-50維氏硬度計測試焊接接頭硬度，載荷98N，加載時間15s。使用Apollo300掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。使用RST5202F電化學工作站，測定母材和焊接接頭分別在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的極化曲線，得出自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度I及鈍化電流密度I，電極采用三電極法，參比電極為標準飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，試樣為工作電極，試驗溫度為20℃，動電位掃描，掃描速度為0.15mV/s。圖1所示為焊接接頭示意圖及截面宏觀形貌。
2、試驗結果與分析
2.1力學性能
2.1.1抗拉強度及彎曲性能
根據NB/T47014一2023《承壓設備焊接工藝評定》，分別對焊接接頭進行拉伸試驗及彎曲試驗。拉伸試驗結果顯示，試樣斷裂位置均為焊縫，焊接接頭抗拉強度分別為492MPa、480MPa，滿足母材的抗拉強度要求(≥400MPa)。焊接接頭的彎曲試驗壓頭直徑為100mm，彎曲角度為180°，面彎及背彎各2個試樣拉伸結果均合格，無裂紋，說明焊接接頭彎曲性能良好。
2.1.2沖擊性能
為了研究焊接接頭的沖擊性能，根據GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對其進行了室溫沖擊試驗，試樣尺寸為7.5mm 10mm55mm，結果如圖2所示。
從圖2可看出，母材和熱影響區平均吸收能量為140~150J，母材的平均沖擊吸收能量高于熱影響區平均沖擊吸收能量，焊縫區域的平均沖擊吸收能量最低，為90~100J。
焊接接頭沖擊試樣斷口形貌如圖3所示。從圖3(a)中可看出，TA2母材的斷口韌窩數量多且尺寸小。從圖3(b)中發現，熱影響區的斷口也存在大量的韌窩，但相比母材區域而言，該區域的韌窩尺寸增大。相比前兩個區域，焊縫區的韌窩數量大幅度減少，韌窩的深度變淺，同時存在一定量的解理小平面，如圖3(c)所示。
2.1.3硬度
對焊接接頭的不同區域進行硬度測試，結果如圖4所示。從圖4中可看出，焊縫區域的硬度最大值為178HV1。，高于熱影響區及母材區域的硬度最大值，母材區域的硬度最低，焊接接頭最大硬度值與最小硬度值的差值為14HV1.0。
2.2顯微組織
對焊接接頭進行微觀組織觀察，結果如圖5所示。從圖5(a)可看出，TA2母材的組織為等軸α相，晶粒尺寸較小，分布均勻。從圖5(b)可發現，熱影響區組織為粗大的α相和不規則鋸齒狀α相。相比母材晶粒的粗化，在一定程度上惡化了該區域的性能。在圖5(c)中，發現焊縫組織中存在針狀馬氏體(a'相)，該馬氏體是高溫β相以很快的冷卻速度冷卻下來，以非擴散形式轉變成的過飽和α相，這種馬氏體不具備鋼中馬氏體那樣顯著的強化作用，但也具有一定的強化作用。因此，馬氏體的存在使得焊縫區域的沖擊性能下降，硬度升高。
2.3電化學腐蝕
為研究TA2母材和焊接接頭分別在10%HCl溶液及10%NaCl溶液中的電化學腐蝕性能，對TA2母材和TA2焊接接頭分別進行電化學腐蝕試驗，極化曲線如圖6所示，自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度Icorr及鈍化電流密度Ipass 見表3。
表3 TA2母材和焊接接頭的電化學腐蝕特征值
| 溶液 | 試樣位置 | 自腐蝕電位 E/V | 自腐蝕電流密度Icorr/(μA.cm−2) | 鈍化電流密度Ipass /(μA.cm−2) |
| 10%HCl | TA2母材 | -0.258 | 0.000 215 | 0.003359 |
| TA2焊接接頭 | -0.293 | 0.000394 | 0.015637 | |
| 10%NaCl | TA2母材 | -0.236 | 0.000015875 | 0.007591 |
| TA2焊接接頭 | -0.284 | 0.000021544 | 0.010586 |
從圖6可看出，TA2母材和TA2焊接接頭均具有較寬的穩定鈍化電位，說明鈍態穩定，在兩種溶液中均具有良好的耐腐蝕性。從表3可看出，在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材自腐蝕電位E大于TA2焊接接頭的自腐蝕電位Ecorr，對于自腐蝕電流Icorr而言，TA2母材小于TA2焊接接頭，TA2母材鈍化電流密度I小于TA2焊接接頭的鈍化電流密度Ipass 。相比自腐蝕電位Ecorr及自腐蝕電流密度Icorr，鈍化電流密度Ipass 是更為重要的參數，鈍化電流密度I越小，鈍化膜對腐蝕介質的屏蔽能力越強，鈍化膜的溶解速度越小，耐腐蝕性能越強。同時自腐蝕電位Ecorr越負，自腐蝕電流I越大，材料發生電化學腐蝕的傾向越大[14-15]，因此可得出，在上述兩種溶液中，TA2母材電化學腐蝕性能優于TA2焊接接頭的電化學腐蝕性能。相比母材，熱影響區α相晶粒粗大，焊縫區域存在針狀馬氏體，晶界缺陷較多，容易先發生腐蝕，最終導致TA2母材電化學腐蝕性能優于TA2焊接接頭的電化學腐蝕性能。
3、結論
(1)TA2板材焊接接頭經無損檢測未發現焊接缺陷，焊接接頭抗拉強度為492MPa、480MPa;彎曲性能良好。
(2)TA2母材和熱影響區平均吸收能量140~150J，母材的平均沖擊吸收能量高于熱影響區平均沖擊吸收能量，焊縫區域平均沖擊吸收能量最低，90~100J;TA2焊接接頭中焊縫區域的最高硬度值178HV1。，高于熱影響區及母材區域的最高硬度值，母材區域的硬度值最低，164HV 1.0 ∘
(3)TA2母材組織為等軸α相,熱影響區組織為粗大的α相+不規則鋸齒狀α相，焊縫組織中存在針狀馬氏體(a'相)。
(4)相比TA2熱影響區,TA2母材區的沖擊斷口韌窩數量較多且尺寸較小。焊縫區的韌窩數量少，深度淺，同時存在一定量的解理小平面。
(5)在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中，TA2母材電化學腐蝕性能優于TA2焊接接頭電化學腐蝕性能。
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（注，原文標題：TA2板材焊接接頭組織及性能研究）