Структура и механические свойства сварных соединений из сплава на основе орторомбического алюминида титана, полученных плазменной сваркой проникающей дугой с последующей термической обработкой

Методом плазменной сварки проникающей дугой заготовок из сплава ВТИ-4 на основе орторомбического алюминида титана Ti₂AlNb получены сварные соединения и исследованы их структура и механические свойства. Установлено, что динамическое воздействие проникающей дуги оказывает положительное влияние на качество сварного соединения: исключаются непровар, возникновение пористости и микротрещин, а также формируется благоприятная форма корня шва. Обнаружено, что сварное соединение состоит из зоны плавления (ЗП), зоны термического влияния (ЗТВ) и основного металла (ОМ). В зависимости от фазового состава и морфологии фаз ЗТВ можно разделить на 4 области: ЗТВ1 из крупных зерен β-фазы вблизи линии сплавления, ЗТВ2 из крупных зерен β-фазы + α₂, ЗТВ3 с более фрагментированными зернами β-фазы с сохранением большего количества α₂-фазы и ЗТВ4, имеющей фазовый состав β + α₂ + О. Последующая термическая обработка (ТО: закалка при температуре 920 °С с выдержкой 2 ч и охлаждением на воздухе с последующей выдержкой 6 ч при 800 °С и дальнейшим охлаждением на воздухе) обеспечивает сохранение зонной структуры сварного шва, но приводит к формированию во всех зонах внутри β-зерен частиц O-фазы. Микротвердость сварного шва в зоне плавления соответствует 360±15 HV0,2, а после ТО она возрастает до 382±20 HV0,2. Прочностные свойства сварного соединения после ТО находятся на уровне выше 90 % от показателей исходной кованой заготовки (σ_в = 1120 МПа, σ_0,2 = 1090 МПа), а пластичность близка к исходному состоянию (δ = 2,1 %).

1. Goyal K., Bera C., Sardana N. Temperature-dependent structural, mechanical, and thermodynamic properties of B2-phase Ti2AlNb for aerospace applications. Journal of Materials Science. 2022;57(41):19553—19570. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07788-3

2. Shagiev M.R., Galeyev R.M., Valiakhmetov O.R. Ti2AlNbBased intermetallic alloys and composites. Materials Physics and Mechanics. 2017;33(1):12—18. https://doi.org/10.18720/MPM.3312017_2

3. Nandy T.K., Banerjee D. Creep of the orthorhombic phase based on the intermetallic Ti2AlNb. Intermetallics. 2000;8(8):915—928. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(00)00059-5

4. Emura S., Araoka A., Hagiwara M. B2 grain size refinement and its effect on room temperature tensile properties of a Ti—22Al—27Nb orthorhombic intermetallic alloy. Scripta Materialia. 2003;48:629—634. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(02)00462-1

5. Kim Y.-W., Dimiduk D.M. Progress in the understanding of gamma titanium aluminides. Journal of Minerals, Metals & Materials Society. 1991;43:40—47. https://doi.org/10.1007/BF03221103

6. Kumpfert J., Leyens C. Orthorhombic titanium aluminides: Intermetallics with improved damage tolerance. In: Titanium and Titanium Alloys — Fundamentals and Applications. GmbH & Co.: Wiley—VCH Verlag, 2005. P. 59—88. https://doi.org/10.1002/3527602119.ch3

7. Li Y.-J., Wu A.-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

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

9. Shao L., Wu S., Datye A., Zhao H., Petterson M., Peng W. Microstructure and mechanical properties of ultrasonic pulse frequency tungsten inert gas welded Ti— 22Al—25Nb (at.%) alloy butt joint. Journal of Materials Processing Technology. 2018;259:416—423. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.03.018

10. Bu Z., Ma X., Li R., Wu J., Li J. Effect of pressure on microstructure and mechanical properties of diffusion bonded joints of Ti2AlNb alloy. Journal of Aeronautical Materials. 2023;43:51—58. https://doi.org/10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000162

11. Niu T., Jiang B., Zhang N., Wang Y. Microstructure and mechanical properties of Ti—Ti2AlNb interface. Composites and Advanced Materials. 2021;30:1—7. https://doi.org/10.1177/2633366X20929

12. Chen X., Zhang Z., Xie F., Wu X., Ma T., Li W., Sun D. Optimizing the integrity of linear friction welded Ti2AlNb alloys. Metals. 2021;11(5):802. https://doi.org/10.3390/met11050802

13. Cui D., Wu Q., Jin F., Xu C., Wang M., Wang Z., Li J., He F., Li J., Wang J. Heterogeneous deformation behaviors of an inertia friction welded Ti2AlNb joint: an in-situ study. Acta Metallurgica Sinica. 2023;36(4):611—622. https://doi.org/10.1007/s40195-022-01477-5

14. 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

15. Наумов С.В., Панов Д.О., Черниченко Р.С., Соколовский В.С., Волокитина Е.И., Степанов Н.Д., Жеребцов С.В., Алексеев Е.Б., Ночовная Н.А., Салищев Г.А. Структура и механические свойства сварных соединений из сплава на основе орторомбического алюминида титана ВТИ-4, полученных импульсной лазерной сваркой. Известия вузов. Цветная металлургия. 2023;29(2):57—73. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2023-2-57-73

16. Lei Z., Zhang K, Zhou H., Ni L., Chen Y. A comparative study of microstructure and tensile properties of Ti2AlNb joints prepared by laser welding and laser-additive welding with the addition of filler powder. Journal of Materials Processing Technology. 2018;255:477—487. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.12.044

17. Bu Z., Wu J., Ma X., Li Z., Li J. Microstructure and mechanical properties of electron beam welded joints of Ti2AlNb alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022;20:5329—5337. https://doi.org/10.1007/s11665-022-07514-9

18. Li L., Fu P., Zhao T., Tang Z., Mao Z. Effect of preheating on the microstructure evolution and mechanical properties of electron beam welded Ti2AlNb alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022;32(8): 3648—3657. https://doi.org/10.1007/s11665-022-07346-7

19. Li Y., Zhao Y., Li Q., Wu A., Zhu R., Wang G. Effects of welding condition on weld shape and distortion in electron beam welded Ti2AlNb alloy joints. Materials & Design. 2017;114:226—233. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.083

20. Short A.B. Gas tungsten arc welding of α + β titanium alloys: A review. Materials Science and Technology. 2009;25(3):309—324. https://doi.org/10.1179/174328408X389463

21. Li Z., Cui Y., Yu Z., Liu C. In-situ fabrication of Ti2AlNb-based alloy through double-wire arc additive manufacturing. Journal of Alloys and Compounds. 2021;876: 160021. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160021

22. Щицын Ю.Д., Тыткин Ю.М. Взаимодействие сжатой дуги с полостью кратера при плазменной сварке проникающей дугой. Сварочное производство. 1994;6:32—33.

23. Stefanescu D.M., Ruxanda R. Solidification structures of titanium alloys. In: ASM Handbook Metallography and Microstructures. 2004. P. 116—126. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v09.a0003728

24. Wu J. Xu L., Lu Z., Cui Y., Yang R. Preparation of powder metallurgy Ti—22Al—24Nb—0.5Mo alloys and electron beam welding. Acta Metallurgica Sinica. 2016;52(9): 1070—1078. https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00019

25. 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

26. Zhang K., Ni L., Lei Z., Chen Y., Hu X. Microstructure and tensile properties of laser welded dissimilar Ti— 22Al—27Nb and TA15 joints. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016;87:1685—1692. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8579-3

27. 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. 2018;8(10):785. https://doi.org/10.3390/met8100785

28. 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

29. 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

30. Jiao X., Kong B., Tao W., Liu G., Ning H. Effects of annealing on microstructure and deformation uniformity of Ti—22Al—24Nb—0.5Mo laser-welded joints. Materials & Design. 2017;130:166—174. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.05.005

31. Lei Z., Zhou H., Chen Y., Zhang K., Li B. A comparative study of deformation behaviors between laserwelded joints and base metal of Ti—22Al—24.5Nb— 0.5Mo alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2019;28(8):5009—5020. https://doi.org/10.1007/s11665-019-04224-7

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