Структура и механические свойства сварных соединений из сплава на основе орторомбического алюминида титана ВТИ-4, полученных импульсной лазерной сваркой

Деформируемые сплавы на основе Ti₂AlNb с повышенной технологичностью для изготовления листовых изделий являются перспективными материалами для работы при высоких температурах в аэрокосмической отрасли, однако возникающие трудности со свариваемостью ограничивают возможности их применения. Работа посвящена изучению сварных соединений из сплава ВТИ-4 на основе Ti₂AlNb, полученных с использованием импульсной лазерной сварки (ИЛС). Определены оптимальные режимы ИЛС, обеспечивающие равномерный бездефектный шов. Выявлены особенности образования внешних дефектов, внутренних пор, трещин и неравномерности глубины проплавления в зависимости от условий сварки. Основными параметрами ИЛС, влияющими на формирование сварного шва, являются напряжение и длительность импульса лазерного излучения. Показано, что при недостаточных средней и высокой пиковых мощностях возможно образование пилообразного корня сварного шва и внутренних пор. Однако при увеличенных погонных энергиях нарушаются термогидравлические процессы в сварочной ванне, что влечет за собой выплеск металла (разбрызгивание), наблюдается неравномерность наложения импульсов. Это приводит к образованию трещин, повышенной пористости, неоднородности зоны плавления и, как следствие, к низким механическим свойствам. Микроструктурное исследование сварных соединений из сплава ВТИ-4, полученных с использованием ИЛС, показало, что зона плавления состоит из крупных дендритных зерен β-фазы, а зона термического влияния – из двух областей β + α₂-фаз и β + α₂ + O-фаз. При этом достигнута прочность ~80 % от прочности основного металла сварного соединения из сплава ВТИ-4, полученного по оптимальному режиму ИЛС.

1. Banerjee D., Gogia A.K., Nandi T.K., Joshi V.A. A new ordered orthorhombic phase in a Ti3AlNb alloy. Acta Metallurgica. 1988;36(4):871—882. https://doi.org/10.1016/0001-6160(88)90141-1

2. Banerjee D. The intermetallic Ti2AlNb. Progress in Materials Science. 1997;42(1-4):135—158. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(97)00012-1

3. Wang L., Sun D., Li H., Gu X., Shen C. Microstructures and mechanical properties of a laser-welded joint of Ti3Al—Nb alloy using pure Nb filler metal. Metals (Basel). 2018;8(10):785. https://doi.org/10.3390/met8100785

4. Shagiev M.R., Galeyev R.M., Valiakhmetov O.R. Ti2AlNb-Based intermetallic alloys and composites. Materials physics and mechanics. 2017;33(1):12—18. https://doi.org/10.18720/MPM.3312017_2

5. Pollock T.M., Tin S. Nickel-based superalloys for advanced turbine engines: Chemistry, microstructure, and properties. Journal of Propulsion and Power. 2006;22(2):361—374. https://doi.org/10.2514/1.18239

6. Liu X., Wu S., Ji Y., Shao L., Zhao H., Wan X. Ultrasonic frequency pulse tungsten inert gas welding of Ti2AlNbbased alloy. Xiyou Jinshu/Chinese Journal of Rare Metals. 2014;38(4):541—547. https://doi.org/10.13373/j.cnki.cjrm.2014.04.001

7. Lu B., Yin J., Wang Y., Yang R. Gas tungsten arc welding of Ti2AlNb based alloy sheet. In: Proc. 12th World Conf. Titan (Ti 2011). (China, Beijing, 19—24 June 2011). 2012. Vol. 1. Р. 816—818.

8. Shao L., Cui E. Joining of Ti—22Al—25Nb Alloy using different welding methods. Materials China. 2019;38(3):286—290. https://doi.org/10.7502/j.issn.1674-3962.2019.03.11

9. Mohandas T., Banerjee D., Mahajan Y.R., Kutumba Rao V.V. Studies on fusion zone fracture behaviour of electron beam welds of an α + β-titanium alloy. Journal of Materials Science. 1996;31(14):3769—3775. https://doi.org/10.1007/BF00352792

10. Li D., Hu S., Shen J., Zhang H., Bu X. Microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of Ti—22Al—25Nb/TA15 dissimilar titanium alloys. Journal of Materials Engineering and Performance. 2016;25(5):1880—1888. https://doi.org/10.1007/s11665-016-2025-4

11. Li Y.-J., Wu Ai-P., Li Q., Zhao Y., Zhu R.-C., Wang G.-Q. Effects of welding parameters on weld shape and residual stresses in electron beam welded Ti2AlNb alloy joints. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019;29(1):67—76. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(18)64916-7

12. Скупов А.А., Свиридов А.В., Ходакова Е.А., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Создание неразъемных соединений из интерметаллидных титановых сплавов (обзор). Труды ВИАМ. 2021;7:31—38. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2021-0-7-31-38

13. Zhang K., Lei Z., Chen Y., Yang K., Bao Y. Heat treatment of laser-additive welded Ti2AlNb joints: Microstructure and tensile properties. Materials Science and Engineering: A. 2019;744:436—444. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.12.058

14. Auwal S.T., Ramesh S., Yusof F., Manladan S.M. A review on laser beam welding of titanium alloys. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018;97(1-4):1071—1098. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2030-x

15. Chludzinski M., dos Santos R.E., Churiaque C., OrtegaIguña M., Sánchez-Amaya J.M. Pulsed laser welding applied to metallic Materials — A Material Approach. Metals. 2021;21(4):640. https://doi.org/10.3390/met11040640

16. Zhang P., Jia Z., Yu Z., Shi H., Li S., Wu D., Yan H., Ye X., Chen J., Wang F., Tian Y. A review on the effect of laser pulse shaping on the microstructure and hot cracking behavior in the welding of alloys. Optics & Laser Technology. 2021;140:107094. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107094

17. Gaikwad A., Deore H., Kotwal V., Pawar A., Valli A. Review on laser welding of titanium alloy. In: Proc. International Conference on Ideas, Impact and Innovation in Mechanical Engineering (ICIIIME 2017) (India, Rajasthan, 1—2 June 2017). 2017. Vol. 5(6). Р. 789—795.

18. Li Y.-J., Wu A.-P., Li Q., Zhao Y., Zhu R.-C., Wang G.-Q. Mechanism of reheat cracking in electron beam welded Ti2AlNb alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019;29(9):1873—1881. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(19)65095-8

19. Panov D.O., Naumov S.V., Sokolovsky V.S., Volokitina E.I., Kashaev N., Ventzke V., DInse R., Riekehr S., Povolyaeva E.A., Alekseev E.B., Nochovnaya N.A., Zherebtsov S.V., Salishchev G.A. Cracking of Ti2AlNb-based alloy after laser beam welding. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1014:012035. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1014/1/012035

20. Xu J., Rong Y., Huang Y., Wang P., Wang C. Keyholeinduced porosity formation during laser welding. Journal of Materials Processing Technology. 2018;252:720—727. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.10.038

21. Zhou J., Tsai H.L. Porosity formation and prevention in pulsed laser welding. ASME Journal of Heat and Mass Transfer. 2007;129(8):1014—1024. https://doi.org/10.1115/1.2724846

22. Bruyere V., Touvrey C., Namy P. A phase field approach to model laser power control in spot laser welding. In: Proc. 2014 COMSOL Conf. 2014. Р. 1—4. URL: https://www.comsol.com/paper/a-phase-field-approach-tomodel-laser-power-control-in-spot-laser-welding-18505 (accessed: 01.09.2022).

23. Li H. Analysis of porosity in welding of titanium alloy. In: Proc. 2020 3rd International Conference on Electron Device and Mechanical Engineering (ICEDME) (China, Suzhou, 1—3 May 2020). 2020. Р. 486—489. https://doi.org/10.1109/ICEDME50972.2020.00116

24. Li H. The causes and control of porosity in titanium alloy welding. In: Proc. 2020 3rd International Conference on Electron Device and Mechanical Engineering (ICEDME) (China, Suzhou, 1—3 May 2020). 2020. Р. 490—493. https://doi.org/10.1109/ICEDME50972.2020.00117

25. Huang J.L., Warnken N., Gebelin J.-C., Strangwood M., Reed R.C. On the mechanism of porosity formation during welding of titanium alloys. Acta Materialia. 2012;60(6-7):3215—3225. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.02.035

26. Chen W., Li J.W., Xu L., Lu B. Development of Ti2AlNb alloys: Opportunities and challenges. Advanced Materials and Processes. 2014;172(5):23—27.

27. Zhan X., Yan T., Gao Q., Zhu Z., Bu H., Wang Z. The porosity formation mechanism in the laser welded joint of TA15 titanium alloy. Materials Research Express. 2019;6(7):076558. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab1612

28. Torkamany M.J., Malek Ghaini F., Papan E., Dadras S. Process optimization in titanium welding with pulsed Nd:YAG laser. Science of Advanced Materials. 2012;4(3-4): 489—496. https://doi.org/10.1166/sam.2012.1307

29. Баранов Д.А., Паркин А.А., Жаткин С.С. Особенности формирования сварного шва жаропрочного сплава ХН45ВМТЮБР в зависимости от режимов лазерной сварки. Известия Самарского научного центра РАН. 2018;2:170—176.

30. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 664 с.

31. Baeslack W.A., Cieslak M.J., Headley T.J. Structure, properties and fracture of pulsed Nd:YAG laser welded Ti—14.8wt%Al—21.3wt%Nb titanium aluminide. Scripta Metallurgica. 1988;22(7):1155—1160. https://doi.org/10.1016/S0036-9748(88)80122-4

32. Panov D., Naumov S., Stepanov N., Sokolovsky V., Volokitina E., Kashaev N., Ventzke V., Dinse R., Riekehr S., Povolyaeva E., Nochovnaya N., Alekseev E., Zherebtsov S., Salishchev G. Effect of pre-heating and post-weld heat treatment on structure and mechanical properties of laser beam-welded Ti2AlNb-based joints. Intermetallics. 2022;143:107466. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107466

33. Chen X., Xie F. Q., Ma T. J., Li W. Y., Wu X. Q. Effects of post-weld heat treatment on microstructure and mechanical properties of linear friction welded Ti2AlNb alloy. Materials & Design. 2016;94:45—53. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.017

34. Xiong L., Mi G., Wang C. Microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of Ti—22Al-25Nb/ Ti—6Al—4V dissimilar titanium alloys. Journal of Laser Applications. 2018;30(3):032412. https://doi.org/10.2351/1.5040610

35. Chen W., Chen Z.Y., Wu C.C., Li J.W., Tang Z.Y., Wang Q.J. The effect of annealing on microstructure and tensile properties of Ti—22Al—25Nb electron beam weld joint. Intermetallics. 2016;75:8—14. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2016.02.006

36. Mehdi B., Badji R., Ji V., Allili B., Bradai D., Deschaux-Beaume F., Soulié F. Microstructure and residual stresses in Ti—6Al—4V alloy pulsed and unpulsed TIG welds. Journal of Materials Processing Technology. 2016;231:441— 448. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.01.018

37. Wu J., Xu L., Lu Z., Cui Y., Yang R. Preparation of powder metallurgy Ti—22Al—24Nb—0.5Mo alloys and electron beam welding. Jinshu Xuebao/ Acta Metallurgica Sinica. 2016;52:1070—1078. https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00019

38. Huang J., Turner R., Gebelin J.C., Warnken N., Strangwood M., Reed R.C. The effect of hydrogen on porosity formation during electron beam welding of titanium alloys. In: ASM Proc International Conference on Trends in Welding Rearch (USA, Chicago, 4—8 June 2012). 2013. Р. 868—875.