TA15鈦合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)是一種高鋁當(dāng)量近α型鈦合金，具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性、抗蠕變性能和良好的焊接工藝性，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和焊接承重部件，以及形狀復(fù)雜且大型集成部件的制造[1-2]。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高推重比、高可靠性和長壽命方向發(fā)展，鈦合金結(jié)構(gòu)件的輕量化、整體化和精密化制造需求日益迫切,傳統(tǒng)的鍛造和鑄造工藝已難以滿足復(fù)雜構(gòu)件的制備要求。粉末冶金熱等靜壓(hot isostatic pressing,HIP)技術(shù)通過在高溫下對粉末施加各向均等靜壓力實(shí)現(xiàn)固結(jié)成形，能夠消除鑄造缺陷、避免成分偏析，有利于實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)均勻性和晶粒精細(xì)化,在微觀結(jié)構(gòu)控制方面具有明顯優(yōu)勢[3-5]。近年來，HIP技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如粉末成形渦輪盤、機(jī)匣等部件已成功應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，粉末HIP成形結(jié)構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地需要與鍛造或軋制件進(jìn)行焊接裝配。因此系統(tǒng)評價(jià)粉末HIP成形TA15鈦合金的焊接性能，對于確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和推廣HIP技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要意義。氬弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)因其對裝配精度要求較低、操作靈活且適應(yīng)性強(qiáng)，在航空領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。TIG焊可以在焊接過程中引入氬氣，以保護(hù)焊縫免受鈦與氧、氮、碳和氫在溫度超過500℃時(shí)化學(xué)反應(yīng)的影響[6]。TIG焊接頭通常由焊縫區(qū)(fusion zone,FZ)、熱影響區(qū)(heat-affected zone,HAZ)和母材區(qū)(base metal,BM)組成,然而由于熱集中和高溫，TIG焊接的TA15鈦合金接頭在受熱影響區(qū)和熔融區(qū)會出現(xiàn)粗顆粒，這影響了TA15合金TIG焊接元件的使用[7]。Ren等[8]研究發(fā)現(xiàn),TA15合金TIG焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫區(qū)形成的馬氏體a'相可顯著提高焊縫硬度，但會降低接頭韌性。對于粉末HIP成形TA15合金而言，其原始組織為細(xì)小的網(wǎng)籃或雙態(tài)組織，與鍛件的雙態(tài)組織存在差異，這種組織異質(zhì)性可能導(dǎo)致焊接過程中界面過渡行為和組織演變機(jī)制的不同,進(jìn)而影響力學(xué)性能[9]。目前,國內(nèi)外關(guān)于鈦合金焊接性能的研究主要集中于同種工藝制備的母材連接，如鍛件-鍛件或鑄件-鑄件焊接，而針對不同制備工藝(如HIP與鍛造)組合的異種連接研究相對較少。Ren等[10]研究了鎢惰性氣體焊接鈦合金TA15在受拉伸和疲勞載荷下的斷裂行為。利用階梯測試方法，獲得了鈦合金的疲勞概率S-N(P-S-N)曲線,發(fā)現(xiàn)TIG焊接的TA15拉伸斷裂主要受焊件的幾何形狀和塑性變形能力影響。Wang等[11]研究了TC17/TA15焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械和腐蝕性質(zhì)。結(jié)果顯示，焊接區(qū)(weldzone,WZ)中a相的比例隨著熱處理溫度的升高逐漸增加，由于再結(jié)晶范圍增加，晶粒細(xì)化發(fā)生在熱處理后，經(jīng)過熱處理，焊接接頭的機(jī)械和耐腐蝕性能顯著改善。然而，上述研究均未涉及粉末HIP成形TA15合金與鍛件的焊接行為，缺乏粉末冶金態(tài)鈦合金焊接性能的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際服役環(huán)境中，焊接結(jié)構(gòu)不僅承受常溫靜載，還需在高溫、循環(huán)載荷等復(fù)雜工況下長期工作，因此焊接接頭的高溫持久性能和疲勞性能尤為關(guān)鍵。研究表明，TA15鈦合金焊接接頭在高溫長時(shí)受力條件下，焊縫區(qū)粗大的魏氏組織易成為裂紋萌生源，導(dǎo)致持久壽命離散性增大[12]。此外，焊接接頭的低周疲勞性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的服役壽命，熱影響區(qū)的組織不均勻性和殘余應(yīng)力集中是疲勞失效的主要誘因[13]。因此，開展粉末HIP成形TA15合金氬弧焊接頭的室溫/高溫拉伸、高溫持久和低周疲勞性能測試，揭示其失效機(jī)理，對于評價(jià)該材料的焊接適用性和制定焊接工藝規(guī)范具有重要工程價(jià)值。

綜上所述，本文以粉末HIP成形TA15鈦合金與鍛造TA15合金為對象，采用氬弧焊工藝制備異種焊接接頭，系統(tǒng)研究接頭的顯微組織演變、力學(xué)性能匹配關(guān)系及斷裂行為,重點(diǎn)評價(jià)室溫/高溫拉伸性能、高溫持久性能和低周疲勞性能,并與粉末/鍛件母材進(jìn)行對比分析。通過闡明粉末HIP態(tài)與鍛造態(tài)TA15合金焊接接頭的組織性能特征，揭示焊接工藝對粉末冶金鈦合金性能的影響規(guī)律,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)粉末成形結(jié)構(gòu)件的焊接裝配和可靠性評估提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1、實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)合金分別為粉末HIPTA15合金和鍛造TA15合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)。通過將等離子體旋轉(zhuǎn)電子工藝制備的預(yù)合金TA15粉末封入直徑40mm、高280mm的不銹鋼容器中,隨后在950℃、160MPa下進(jìn)行5h熱等靜壓，獲得粉末HIP態(tài)TA15合金;通過線切割分別從粉末HIP TA15和鍛造TA15合金所需尺寸的樣品進(jìn)行氬弧焊連接。將沿鍛造和粉末HIP態(tài)TA15合金，以及焊接接頭切割的試樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)金相拋光程序后，用Kroll試劑(HF:HNO3:H2O=1:3:7)蝕刻30s,用于顯微結(jié)構(gòu)表征。微觀結(jié)構(gòu)通過OLYMPUS/PMG3光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行表征。通過線切割獲取標(biāo)準(zhǔn)的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久以及低周疲勞試樣進(jìn)行測試,評估焊接接頭和粉末本體的力學(xué)性能。室溫拉伸實(shí)驗(yàn)采用DDL-100電子萬能試驗(yàn)機(jī);高溫拉伸實(shí)驗(yàn)在達(dá)到設(shè)定溫度(225或500℃)后,保溫20min再進(jìn)行加載,確保試樣溫度均勻;低周疲勞測試采用MTS 810型電液伺服疲勞機(jī)在實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境下進(jìn)行，應(yīng)力比R=0.1,循環(huán)頻率f=0.5Hz,加載波形為三角波。同時(shí)通過VEGA3TESCAN掃描電子顯微鏡(SEM)上的背散射電子(BSE)模式進(jìn)行斷口表征,分析斷裂機(jī)制。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1初始組織

基于對TA15粉末熱等靜壓態(tài)與鍛態(tài)氬弧焊接頭的系統(tǒng)表征,該接頭形成了“鍛態(tài)雙態(tài)組織-焊縫魏氏組織-粉末HIP網(wǎng)籃組織”的組織配置。鍛態(tài)TA15合金的雙態(tài)組織源于α+β兩相區(qū)的熱機(jī)械加工,呈現(xiàn)典型的“等軸初生α+片層次生α”復(fù)合形貌。β基體上分布著球形或近球形等軸初生α顆粒,尺寸均勻;次生片層a則在后續(xù)空冷過程中通過擴(kuò)散型β→α相變析出，形成分布于β基體中的細(xì)密片層組織。在高溫高壓下,粉末熱等靜壓態(tài)TA15合金的預(yù)合金粉末顆粒發(fā)生燒結(jié)、致密化與再結(jié)晶,原始β晶界因破碎或不連續(xù)化而無法形成完整的晶界a網(wǎng)絡(luò);晶內(nèi)a片層在等靜壓應(yīng)力作用下發(fā)生短粗化與交錯(cuò)排列,形成典型的網(wǎng)籃組織。與鍛態(tài)雙態(tài)組織中的a片層相比，HIP態(tài)網(wǎng)籃組織的α片層更短、更粗、交錯(cuò)編織,板條間距更小。氬弧焊過程中，焊接電弧的熱輸入使近縫區(qū)快速加熱至β單相區(qū),α相部分或完全溶解并發(fā)生a→β轉(zhuǎn)變，形成粗大β晶粒;隨后較快冷卻時(shí),β相通過擴(kuò)散型相變析出完整晶界α,晶內(nèi)片層a規(guī)則排列成集束，導(dǎo)致該區(qū)域的原始β晶粒及魏氏組織集束尺寸較為粗大。然而，由于焊接冷卻速度較快,這些粗大集束內(nèi)部析出的次生a針狀板條發(fā)生了顯著細(xì)化，最終形成這種特定形態(tài)的魏氏組織。由此形成了鍛態(tài)端雙態(tài)組織、焊縫魏氏組織、粉末HIP態(tài)網(wǎng)籃組織的組織配置。

2.2拉伸性能及斷裂行為

TA15鈦合金粉末-鍛件焊接接頭的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對應(yīng)的粉末本體室溫拉伸性能見表2,對應(yīng)的拉斷試樣如圖2a所示,結(jié)果表明，該焊接工藝實(shí)現(xiàn)了較為理想的冶金結(jié)合。接頭平均屈服強(qiáng)度達(dá)到947.3MPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)到999MPa,相較于粉末冶金本體分別提升了3.7%和1.4%,強(qiáng)度指標(biāo)已接近TA15鍛件母材的典型性能水平。但焊接接頭的塑性指標(biāo)呈現(xiàn)明顯下降趨勢，平均斷后伸長率僅為10.3%,較粉末冶金本體(13.6%)降低約24.3%，這一塑性損失幅度在鈦合金異種材料焊接中屬于中等水平。斷裂位置分析表明,3件試樣中2件斷于粉末端,1件斷于鍛件端,未見焊縫中心斷裂,說明焊縫本身強(qiáng)度儲備充足,并非接頭最薄弱環(huán)節(jié),但同時(shí)也反映了焊縫區(qū)強(qiáng)度的不均勻性。這主要由于鍛件母材雙態(tài)組織、粉末本體網(wǎng)籃組織與焊縫魏氏組織的三元組合，形成獨(dú)特的組織梯度，決定了接頭的變形行為和斷裂特征[14]。鍛件母材雙態(tài)組織兼具強(qiáng)度與塑性,粉末本體網(wǎng)籃組織塑性較好但強(qiáng)度略低，焊縫區(qū)由于集束內(nèi)部析出的α片層顯著細(xì)化，提高焊縫強(qiáng)度[15]，但同一粗大集束內(nèi)的片層取向單一，變形協(xié)調(diào)性差，拉伸過程中片層界面易開裂形成微裂紋源。若靠近粉末側(cè)的區(qū)域因原始孔隙殘留或氧化膜未完全破碎，或靠近鍛件側(cè)的區(qū)域則可能因熱輸入波動(dòng)導(dǎo)致魏氏組織粗化，均會形成局部弱區(qū)。因此，微裂紋傾向于向鄰近一側(cè)偏轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致斷裂位置偏離焊縫中心。與航空領(lǐng)域常用焊接工藝對比[16],電子束焊接TA15鍛件-鍛件接頭強(qiáng)度系數(shù)約0.90,塑性系數(shù)約0.65,斷裂多位于焊縫中心。本研究粉末-鍛件焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)0.95,塑性系數(shù)0.76,斷裂位置分散,顯示出較優(yōu)的綜合性能。然而,魏氏組織的固有脆性仍是制約接頭塑性的關(guān)鍵因素,后續(xù)可通過優(yōu)化焊接熱輸入或?qū)嵤┖负鬅崽幚砑?xì)化焊縫組織,進(jìn)一步改善接頭塑性。

表1 粉末-鍛件氬弧焊接接頭室溫拉伸性能

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

表2 粉末本體室溫拉伸性能

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

TA15鈦合金粉末-鍛件焊接接頭與對應(yīng)的粉末本體的225℃高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果列于表3和表4,對應(yīng)的拉斷試樣如圖2b所示。

結(jié)果表明,接頭平均屈服強(qiáng)度為685.6MPa,抗拉強(qiáng)度為836.6MPa,斷后伸長率為11.8%。與室溫性能相比,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低27.6%和16.3%,伸長率較室溫提高14.6%,屈強(qiáng)比從0.95降至0.82。由于225℃時(shí)鍛件雙態(tài)組織中的等軸α相發(fā)生熱軟化,粉末側(cè)網(wǎng)籃組織的α集束粗化雖然緩解了室溫時(shí)的脆性,但使其承載能力下降[17]。此外，焊縫魏氏組織的片層界面擴(kuò)散蠕變變形機(jī)制的介入，即225℃時(shí)位錯(cuò)攀移和晶界滑移啟動(dòng),使應(yīng)力重新分布,魏氏組織片層界面通過擴(kuò)散協(xié)調(diào)變形，延緩了裂紋萌生[18]。與粉末本體相比,225℃時(shí)接頭強(qiáng)度仍保持優(yōu)勢，屈服強(qiáng)度提高2.9%,抗拉強(qiáng)度提高2.0%,但塑性明顯下降，僅為粉末本體的56.2%，說明高溫服役時(shí)接頭的塑性匹配性更差。斷裂位置分析表明,3件試樣中2件斷于粉末端，1件斷于鍛件端，與室溫?cái)嗔岩?guī)律一致,但斷裂位置與強(qiáng)度水平的關(guān)聯(lián)性增強(qiáng),鍛件端斷裂試樣的屈服強(qiáng)度略高于粉末端斷裂試樣,這是由于粉末側(cè)熱影響區(qū)高溫強(qiáng)度穩(wěn)定性不足。這種三元組織的異步軟化導(dǎo)致接頭與母材的性能失配加劇。本研究氬弧焊接頭225℃強(qiáng)度與TA15激光焊接頭250℃水平相當(dāng)[19],但塑性顯著優(yōu)于典型熔焊接頭[16,20],說明采用氬弧焊焊接TA15粉末-鍛件的材料高溫穩(wěn)定性更好。

表3 粉末-鍛件氬弧焊接接頭225℃拉伸性能

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

表4 粉末本體225℃拉伸性能

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

TA15鈦合金焊接接頭在室溫和225℃兩種溫度條件下的拉伸斷口如圖3所示。兩種斷裂行為均表現(xiàn)為典型的韌性斷裂機(jī)制,但從宏觀到微觀尺度均呈現(xiàn)出顯著的差異特征。室溫條件下，斷口宏觀形貌粗糙不平、起伏明顯，微觀上呈現(xiàn)尺寸較大且分布不均勻的韌窩結(jié)構(gòu)，并伴有明顯的撕裂棱和塑性變形痕跡，表明室溫?cái)嗔堰^程中材料經(jīng)歷了充分的塑性變形，裂紋擴(kuò)展路徑曲折，能量吸收能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度升高至225℃時(shí)，斷口宏觀形貌變得相對平整光滑，起伏程度明顯降低，微觀尺度發(fā)現(xiàn)韌窩尺寸顯著細(xì)化、分布更加均勻致密，密度明顯增高。這種韌窩形貌的細(xì)化現(xiàn)象主要?dú)w因于高溫環(huán)境下材料內(nèi)部動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶過程的增強(qiáng)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生改變，同時(shí)晶界滑移機(jī)制更加活躍，從而導(dǎo)致微孔洞形核增多而長大減緩。但拉伸結(jié)果顯示，TA15鈦合金焊接接頭在225℃高溫下拉伸伸長率高于室溫，這主要?dú)w因于高溫激活的動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制使位錯(cuò)持續(xù)湮滅、加工硬化率降低，同時(shí)多系滑移和晶界滑動(dòng)協(xié)調(diào)作用增強(qiáng)[21],從而緩解應(yīng)力集中使材料在斷裂前累積更大宏觀應(yīng)變，變形更加均勻而延遲頸縮，賦予了其良好的中溫塑性儲備和損傷容限特性。

2.3高溫持久性能及斷裂行為

高溫持久性能測試表明，粉末本體憑借高相界面密度與裂紋偏轉(zhuǎn)能力，展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫持久性能，在500℃/470MPa條件下50h未破壞，見表5。而接頭高溫持久性能離散性顯著(30~60h),且100%斷裂于焊縫，壽命最短30h55min，僅為母材的62%，見表6。在500℃/470MPa條件下,HIP母材的持久壽命達(dá)到50h未斷裂，處于行業(yè)中等水平，基本滿足航空標(biāo)準(zhǔn)對棒材的最低技術(shù)要求(≥50h);粉末-鍛件焊接接頭的持久壽命僅為30~60h且全部斷裂于焊縫。

表5 粉末本體高溫持久測試結(jié)果

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

表6 粉末-鍛件焊接接頭高溫持久測試結(jié)果

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

圖4展示了TA15粉末-鍛件焊接接頭高溫持久測試前后的試樣狀態(tài)。由初始狀態(tài)可以看出，試樣整體完整無變形，焊縫區(qū)域可見。高溫持久測試后，試樣表面顏色變深，呈灰黑色，高溫氧化明顯。試樣1和2已經(jīng)斷裂，斷裂位置都在焊縫區(qū)域(中間較窄處)。試樣3未斷。斷裂只發(fā)生在焊縫處，說明焊縫是薄弱環(huán)節(jié)，盡管魏氏組織內(nèi)部的α片層較細(xì),但其粗大的集束邊界與連續(xù)的晶界a在高溫長時(shí)拉應(yīng)力下容易成為蠕變失效的優(yōu)先通道。

圖5為TA15粉末-鍛件焊接接頭高溫持久斷口形貌。由圖5a可見，斷口為典型“冰糖狀”沿晶斷裂形貌,表面呈現(xiàn)多面體晶粒輪廓,晶粒間界面清晰,形成類似“冰糖”或“巖石”的立體形貌,可見明顯的晶界臺階和棱線。這種宏觀形貌是高溫蠕變沿晶斷裂的典型標(biāo)志,表明斷裂過程受晶界控制,而非晶內(nèi)滑移主導(dǎo)。放大觀察其微觀特征，如圖5b所示?？梢姳砻婀饣秸约唉疗瑢拥膶訝詈圹E(片狀α的解理面),但無韌窩結(jié)構(gòu)。這種脆性沿晶斷裂形貌證實(shí)了前文猜測的連續(xù)晶界a是裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先通道。

2.4室溫及高溫低周疲勞性能及失效機(jī)理

盡管靜載拉伸性能優(yōu)異，但在交變載荷作用下，粉末-鍛件焊接接頭表現(xiàn)出了與拉伸完全不同的損傷累積行為。為了全面評估其服役可靠性，分別在室溫及高溫環(huán)境下對其進(jìn)行了低周疲勞測試，其結(jié)果見表7。

在室溫條件下,采用缺口試樣(K=3,圖6a)模擬結(jié)構(gòu)件在實(shí)際服役過程中可能存在的應(yīng)力集中情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在350MPa的循環(huán)應(yīng)力作用下,3組試樣的實(shí)測壽命分別為14167、14398和17848周次，表現(xiàn)出良好的一致性，表明該粉末-鍛件焊接接頭在常溫、高應(yīng)力集中環(huán)境下具有較高的安全裕度。此外,所有試樣均斷裂于焊縫處,盡管靜載拉伸時(shí)焊縫強(qiáng)度高于基材，但在K=3的強(qiáng)缺口敏感性下，與粉末基體細(xì)小的網(wǎng)籃組織相比，焊縫區(qū)由于集束尺寸較大導(dǎo)致循環(huán)變形的均勻性較差，缺口根部的局部塑性變形使得微裂紋易在粗大的魏氏組織集束邊界或原始β晶界處優(yōu)先萌生。

在225℃、最大應(yīng)力提高至680MPa的光滑試樣(K=1,圖6b)測試中,焊接接頭的疲勞行為呈現(xiàn)出不同的特征。盡管其平均壽命仍維持在萬小時(shí)量級，但數(shù)據(jù)離散性顯著增加(最低6133周次，最高13417周次),同時(shí)其斷裂也不再局限于焊縫中心,而是擴(kuò)展至鍛件側(cè)及粉末側(cè)的焊縫邊緣。這些結(jié)果表明焊接接頭在高溫高應(yīng)力下具有組織敏感性，此時(shí)的實(shí)驗(yàn)溫度(225℃)已進(jìn)入材料的蠕變-疲勞交互作用區(qū)間,組織中的微觀缺陷及晶界狀態(tài)對疲勞壽命的貢獻(xiàn)被放大，在光滑試樣中，組織梯度最大的焊接熔合區(qū)成為了服役過程中的薄弱區(qū)域。

表7 粉末-鍛件焊接接頭低周疲勞測試結(jié)果

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

采用SEM分別對室溫及高溫疲勞試樣斷口形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7a和b斷口宏觀形貌中可以發(fā)現(xiàn)，室溫及高溫低周疲勞斷口可以分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)。對于室溫疲勞試樣，疲勞源清晰地起源于缺口根部的表面位置(圖7c),呈現(xiàn)出典型的多源萌生特征;斷口宏觀較為平整，說明在較低應(yīng)力下，裂紋起裂受到幾何缺口主導(dǎo)。而高溫疲勞試樣中可見裂紋有時(shí)起源于靠近表面的組織不均勻處，在高溫高應(yīng)力作用下，斷口形貌變得更加粗糙，反映了高溫下材料局部塑形變形的增加及組織敏感性的提升。

在裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到典型的疲勞條帶及次生裂紋。這些清晰的疲勞條帶垂直于裂紋擴(kuò)展方向排列,由于焊縫區(qū)為粗大的魏氏組織,這些條帶在跨越不同取向的α片層集束時(shí)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致擴(kuò)展路徑曲折，這種“穿晶+沿片層”的擴(kuò)展模式消耗了更多的斷裂能。同時(shí)，在擴(kuò)展區(qū)觀察到少量的次生裂紋(圖7d),說明在交變載荷下,魏氏組織的片層界面成為了應(yīng)力松弛的位置，從而有助于延緩主裂紋的擴(kuò)展速率。

在斷口末端可以觀察到大量的等軸韌窩和撕裂棱,相比之下,高溫疲勞試樣的韌窩尺寸更大且分布更為密集，表現(xiàn)出更好的動(dòng)態(tài)塑性。然而，由于高溫加快了氧化及蠕變損傷，使得裂紋萌生時(shí)間縮短，從而導(dǎo)致了高溫下整體壽命的下降及離散性增大。

綜合來看，由于斷裂均發(fā)生在焊縫或焊縫邊緣，斷口分析進(jìn)一步證明了魏氏組織是疲勞薄弱區(qū),粉末-鍛件接頭的疲勞性能受到幾何和環(huán)境因素的雙重影響。粉末側(cè)細(xì)小的網(wǎng)籃組織具有較多的相界面，能有效阻礙裂紋擴(kuò)展,表現(xiàn)出比焊縫魏氏組織更優(yōu)的抗疲勞性能;接頭由拉伸時(shí)的基材斷裂演變?yōu)槠跁r(shí)的焊縫或焊縫邊緣斷裂，根本原因在于循環(huán)載荷對顯微組織不均勻性的敏感度遠(yuǎn)高于單向靜載。焊縫區(qū)由于冷卻速率變化導(dǎo)致的組織粗化使其在抵抗交變剪切應(yīng)力和循環(huán)軟化方面弱于經(jīng)過熱等靜壓的粉末基體。

3、結(jié)論

(1)粉末HIP成形TA15鈦合金氬弧焊接頭室溫強(qiáng)度達(dá)到母材水平(接頭系數(shù)1.0),實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)匹配,但塑性下降約24%，斷裂位置分散于焊縫兩側(cè)，反映組織梯度導(dǎo)致的局部性能不均。焊縫區(qū)集束粗大但內(nèi)部α板條細(xì)化的魏氏組織與兩側(cè)母材組織差異顯著，形成“軟-硬-軟”三明治結(jié)構(gòu)，決定了接頭的變形協(xié)調(diào)與斷裂行為。

(2)225℃高溫拉伸呈現(xiàn)“強(qiáng)度損失小、塑性改善”特征，強(qiáng)度保持率84%，伸長率較室溫提高14.6%。但高溫持久性能暴露明顯短板,500℃/470 MPa下接頭壽命僅30~60h且100%斷于焊縫，魏氏組織粗大的集束邊界及晶界α相在高溫長時(shí)拉應(yīng)力下成為蠕變裂紋優(yōu)先通道，導(dǎo)致持久壽命離散且遠(yuǎn)低于母材(>50h)。

(3)低周疲勞性能呈現(xiàn)溫度與應(yīng)力相關(guān)性。室溫高應(yīng)力缺口試樣(K=3)疲勞壽命14000~18000周次,斷裂于焊縫中心;225℃試樣疲勞壽命離散性大(6000~13000周次),斷裂擴(kuò)展至焊縫邊緣。循環(huán)載荷下組織敏感性遠(yuǎn)高于靜載，魏氏組織的粗大集束邊界成為裂紋萌生源和擴(kuò)展通道，而粉末側(cè)細(xì)密網(wǎng)籃組織的相界面有效阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展。

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（注，原文標(biāo)題：粉末HIP成形TA15鈦合金氬弧焊接頭組織與性能研究_陰中煒）