氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳断裂特性的影响

涵涵耀耀

TC4钛合金是典型的α+β两相钛合金，由于其具有比强度高、耐腐蚀性好、热强性高等优点，成为了航空工业常用的结构材料，特别是用在飞机机体和发动机中要求强度高及热强性好的部位。TC4钛合金具有良好的焊接性，在其众多的焊接方法中，电子束焊接是一种先进的高能束流加工技术，具有能量密度高、加热范围窄、焊接变形小、焊缝深宽比大、生产效率高等常规焊接方法无法比拟的优点。由于钛合金焊接构件在使用环境中存在氢和循环应力，构件有发生氢致断裂的可能，因而研究氢对焊接构件疲劳性能的影响十分重要。目前关于氢对钛合金电子束焊接头疲劳性能影响方面的研究相对较少。本文研究固溶氢对TC4合金电子束焊接头疲劳寿命的影响，并对试样的疲劳断裂位置和断口形貌进行分析，为钛合金电子束焊构件的安全应用提供参考依据。

实验材料选用20mm厚的TC4钛合金板材。在ZD150-15A型电子束焊机上进行焊接，焊接工艺参数为：加速电压150kV，聚焦电流342mA，焊接速度0.8m/min，电子束流48mA。焊后获得了完整的对接接头试板，切除焊缝余高和板厚上下部各5mm，以消除几何应力集中和熔合线气孔等疲劳裂纹萌生因素。沿着垂直于焊缝的方向取样，按照国家标准加工疲劳试样，加工时确保焊缝处于疲劳试样的中心位置。采用高温气相法对试样进行充氢，充氢温度为750℃，保温2h，最终的充氢量由高精度物理天平（精确到10-5g）测量得出。疲劳试验在高频疲劳试验机上进行，加载方式为轴向加载，其应力比R＝-1，最大应力水平取σmax＝665MPa，试验加载频率f=15Hz。
充氢显著降低了TC4钛合金试样的疲劳寿命，氢含量0.028%钛合金的疲劳寿命仅为未充氢试样的一半，当氢含量增大到0.120%时，疲劳寿命降到了未充氢的五分之一。充氢后TC4钛合金电子束焊接头多数在热影响区发生疲劳断裂，这主要是因为热影响区的组织不均匀和热影响区的氢含量相对较高，造成了疲劳裂纹首先萌生于热影响区。随着氢含量的增加，含氢试样疲劳断口的裂纹源数量增加；稳态扩展区的疲劳条带变宽、变得模糊，且二次裂纹数量增多、尺寸增大；在快速断裂区，断口韧窝变小、变浅。这些疲劳断口的形貌特征表明，氢促进了疲劳裂纹的萌生和增加了裂纹扩展的速度，导致钛合金电子束焊接头的疲劳寿命显著降低。