引言

隨著我國高速列車的發(fā)展和運行時速的逐步提高，對轉(zhuǎn)向架輕質(zhì)、高強、耐疲勞、耐腐蝕等性能要求也不斷提高。鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕、無磁性等特性［1-2］，使其成為新一代高速列車轉(zhuǎn)向架的理想材料［3］。由于鈦合金焊接后焊縫冷卻速度較快，在焊縫組織冷卻過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致焊縫塑性和韌性相對較差，使其成為鈦合金轉(zhuǎn)向架的薄弱區(qū)域。為提高焊接接頭的韌性和塑性，方乃文［4-6］等人通過在藥芯焊絲中添加TiAl-V-Mo粉，在提高TC4鈦合金大厚板窄間隙激光焊接接頭的穩(wěn)定

性和強化能力的同時還能夠保持接頭的塑性。程東海［7］等人通過在TC4鈦合金焊縫中添加稀土元素Yb2O3，使焊縫中心β晶粒尺寸由337μm降低至127μm，提高了焊縫塑性。蔣哲亮［8］通過在Ti6Al4V合金的焊縫中添加Ce元素，降低了焊縫原始β柱狀晶組織尺寸，使焊接接頭的強度和塑性均得到提升。Song［9］等人研究發(fā)現(xiàn)，在Ti-NbTa-Zr合金中添加質(zhì)量分數(shù)0.1%的Ce元素，使得抗疲勞性能增強。堅硬的稀土氧化物可以阻礙位錯的運動，從而抵抗疲勞裂紋的形成。蔣鵬［10］等人通過在Ti50焊縫中添加0.8%的Fe元素，使焊縫的綜合性能得到明顯提升。楊楠［11］利用激光增材制造的方法研究了V元素對TC4合金增材構(gòu)件的影響，發(fā)現(xiàn)當V含量為6%時，對初生α-Ti具有較好的細化作用，使材料具最優(yōu)抗拉強度、延伸率和耐磨性。葛鵬［12］等人研究了Mo、V、Cr對β相的影響，發(fā)現(xiàn)Mo對β相有明顯的細化作用，提升了合金的抗拉強度。郜廣軍［13］通過研究Si、Mo、Y對Ti55合金組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)Mo含量的增加細化了合金的顯微組織，增加了合金的維氏硬度，提高了室溫斷裂韌性和壓縮性能。

上述研究表明，在焊縫中添加適宜的合金元素能提升焊縫性能，而Mo元素或稀土元素對焊縫晶粒細化和提高焊縫的強韌性具有明顯的作用。因此，為改善鈦合金激光焊接后接頭韌性較差的問題，本研究通過在焊縫中添加不同含量的Mo元素，對焊后接頭的組織形貌、力學(xué)性能進行研究，探索Mo元素對焊縫強韌性的影響機制，為鈦合金專用焊絲的研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

1、材料及試驗方法

1.1試驗材料

焊接試驗所用板材為2.5mm厚的鈦合金（成分如表1所示），該材料經(jīng)過固溶（1019℃，2h）和時效（700℃，5h）處理，形成了近α雙態(tài)組織（見圖1a）。

為縮減試驗周期和成本，焊材熔煉后不再進行焊絲制作，因此本文采用熔煉焊材直接切條并預(yù)埋入坡口的方式進行激光填絲焊。為便于焊接，將母材切割成尺寸為125mm×50mm×2.5mm的待焊試樣，并在待焊處開截面尺寸為1.2mm×2.0mm的L形坡口用于預(yù)埋不同成分的焊材。為研究Mo元素對焊縫性能的影響，配制了Mo質(zhì)量分數(shù)分別為0%、1%、2%、3%、4%的焊材成分，如表1所示。焊材是由各成分金屬經(jīng)過稱量、熔煉、切割而成，首先將配制好的焊材成分放入非自耗真空電弧爐熔煉成直徑約為30mm、高10mm的鑄錠（見圖1b），并切割成尺寸為1.2mm×2.5mm×20mm的小條。母材與焊材裝配前用混合酸溶液（HNO3∶HF∶H2O=12∶5∶83）酸洗5min，而后放入酒精中進行超聲波清洗10min，取出后放入真空干燥箱中烘5h。

1.2試驗設(shè)備及工藝參數(shù)

焊材熔煉設(shè)備為WS-4型非自耗真空電弧爐，熔煉的電流大小為150A，每組成分金屬需反復(fù)熔煉3次、每次熔煉40s。為確保熔煉后鑄錠成分的均勻性，熔煉過程中對熔池進行了電磁攪拌。激光焊接設(shè)備為TruDisk10002型光纖激光器（波長：1030nm，光斑直徑：0.4mm），焊接前將準備好的焊材與開好L型坡口的母材緊密裝配。為保護焊接過程中熔池不被氧化，將裝配好的試樣焊縫部位放入特制的夾具中并充入高純氬氣（99.99%Ar2），流量大小為25L/min，焊接裝配如圖2所示。同時，為降低焊縫氣孔率，本文利用激光振鏡系統(tǒng)對激光束施加擺動，擺動路徑為O形，具體焊接工藝參數(shù)和擺動參數(shù)如表2所示。

1.3力學(xué)性能試驗

1.3.1硬度測試

本文利用HVS-30型數(shù)顯維氏硬度計并依據(jù)GB/T2654《焊接接頭硬度試驗方法》進行焊接接頭硬度測試。

加載試驗力為1kg，保荷時間為10s。焊接接頭試驗測點如圖3所示，打點線距焊縫表面1.25mm，即試樣中線位置，每個點間距為0.5mm，從試樣正中心向左向右各打15個試驗點。

1.3.2拉伸性能測試

為研究不同Mo含量的焊材對焊縫拉伸強度和塑性的影響，本文利用DNS300型高溫電子萬能試驗機，按照GB/T228.2—2015《金屬材料拉伸試驗第二部分：高溫試驗方法》對焊接接頭進行拉伸性能測試。拉伸試驗的環(huán)境溫度為650℃，拉伸速率設(shè)置為3mm/min。爐溫升高至設(shè)定溫度后需保溫15min再進行試驗以確保拉伸試樣溫度的均勻性。拉伸試樣尺寸如圖4所示。

1.3.3沖擊韌性測試

為研究不同Mo含量的焊材對焊縫沖擊韌性的影響，本文采用JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗機對試樣進行常溫沖擊試驗。根據(jù)GB/T2650《金屬材料焊縫破壞性試驗沖擊試驗》，分別在焊接試板的焊縫、母材取V形沖擊試樣，每組取3個平行試樣。

2、試驗結(jié)果與討論

2.1金相組織分析

激光焊接后焊縫表面形貌如圖5所示，焊縫表面成型良好，無肉眼可見的焊接裂紋、氣孔、未熔合等焊接缺陷。焊接過程中氣體保護效果較好，焊縫表面光潔明亮、呈現(xiàn)出金屬光澤，焊縫未出現(xiàn)氧化情況。圖6為不同Mo含量焊材激光焊接頭截面金相組織形貌，由圖可知，Mo含量低于3%時，焊縫內(nèi)部成型較好、無明顯的氣孔和裂紋缺陷。Mo含量達到4%時，熔合線附近存在個別較大氣孔。通過觀察圖6b、6c，1%Mo和2%Mo焊縫中心組織呈現(xiàn)為粗大的原始β相柱狀晶，由于熔池凝固過程中焊縫中心位置冷卻速度相對較慢，原始β晶粒垂直于溫度梯度從熱影響區(qū)或熔池表面向焊縫中心生長變得粗大［14］。隨著Mo含量的增加，焊接接頭中焊縫區(qū)的原始β相晶粒尺寸呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢，減小后的原始β晶粒呈現(xiàn)為較為扁平的柱狀晶。

圖7為XRD分析結(jié)果，可以看出在不同Mo含量的焊縫中，主要為α'馬氏體［15］。由于焊縫的冷卻速度較快，β相固溶元素來不及析出，β相的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了非擴散型均勻切邊，即馬氏體相變，形成了α'馬氏體，如圖8a所示。原始β晶粒內(nèi)部存在著若干相互平行、交錯的長針狀α'馬氏體，如圖8b所示，這些馬氏體貫穿整個柱狀晶，止于晶界處，使焊縫區(qū)呈現(xiàn)出網(wǎng)籃狀形貌特征［16］。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1硬度分析

圖9為不同Mo含量焊縫硬度分布結(jié)果，從圖中可知，硬度從母材到焊縫區(qū)域出現(xiàn)了跳躍式的升高，顯微硬度分布呈現(xiàn)出焊縫區(qū)>熱影響區(qū)>母材區(qū)的分布特征。母材的硬度值最低，因為母材中含有更多的β相，而β相的硬度相對較低［17］。由于焊縫發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，焊縫區(qū)形成了大量交織的針狀α'相，α'相的硬度高于α相和β相［18］。因此，含有α'馬氏體的焊縫區(qū)的硬度高于熱影響區(qū)和母材區(qū)。母材的硬度平均為340.6HV，0%Mo~4%Mo焊縫平均硬度分別為462HV、399HV、417HV、456HV、467HV，平均值4%Mo>0%Mo>3%Mo>2%Mo>1%Mo。隨著焊縫中Mo含量增加，焊接接頭的硬度呈先減少后增加的變化規(guī)律。

2.2.2拉伸性能分析

圖10為鈦合金不同Mo含量焊接接頭及母材在650℃下的拉伸試驗結(jié)果，由圖可知母材的抗拉強度平均值為882MPa，斷后伸長率平均值為7.53%。0~3%Mo含量的焊縫試樣斷裂位置均位于母材，伸長率均略低于母材拉伸性能。由于焊接后焊縫的快速冷卻發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體為一種脆硬相，會使焊縫的塑性和韌性降低，導(dǎo)致在拉伸過程中試樣整體的延伸率降低。4%Mo含量的焊縫由于存在氣孔缺陷，拉伸強度平均僅為369.3MPa，并斷裂于焊縫。

2.2.3沖擊韌性分析

圖11為不同Mo含量焊材焊縫區(qū)沖擊試驗結(jié)果，鈦合金母材的沖擊韌性為10.09J/cm2，0%Mo~4%Mo額焊縫平均沖擊韌性分別為8.17J/cm2、6.28J/cm2、5.52J/cm2、4.72J/cm2、2.69J/cm2。隨著焊縫中Mo含量的增加，焊接接頭的沖擊韌性呈下降趨勢。由圖5可以看出，隨著Mo含量的增加，焊縫原始β晶粒尺寸減小，但不是呈現(xiàn)出等軸晶形態(tài)，而是呈現(xiàn)為一種垂直于焊縫中心的扁平狀晶粒形態(tài)。該原始β晶粒晶界均終止于焊縫中心，在焊縫中心形成了一條貫穿于焊縫的晶界。在快速冷卻過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，原始β晶粒內(nèi)β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?#39;馬氏體。由于析出的α'馬氏體也止于原始β晶界，導(dǎo)致貫穿于焊縫中心的原始β晶界得以保留。在進行沖擊試驗時，沖擊裂紋沿著貫穿于焊縫中心的晶界迅速擴展，導(dǎo)致沖擊韌性降低，原理如圖12所示。

3、結(jié)論

本文通過真空熔煉的方法制備了不同Mo含量的焊材，并將其預(yù)埋在鈦合金焊縫坡口處進行激光填絲焊，對焊后接頭的金相組織、力學(xué)性能進行了研究，結(jié)論如下：（1）焊縫中心呈現(xiàn)為粗大的原始β相柱狀晶，原始β晶粒內(nèi)部存在著若干相互平行、交錯的α'針狀馬氏體。柱狀晶隨著Mo含量的增加呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，證明了在焊縫凝固過程中Mo元素對β晶粒的細化作用明顯。（２）母材的硬度平均為340.6HV，不同Mo含量焊縫硬度平均值4%Mo>0%Mo>3%Mo>2%Mo>1%Mo。隨著焊縫中Mo含量增加，焊接接頭的硬度先減小后增大。（3）隨著焊縫中Mo含量的增加，原始β晶粒尺寸逐步減小并呈現(xiàn)為扁平狀。由于焊縫中心最后凝固，扁平的晶粒的晶界相互連接貫穿于焊縫中心，造成沖擊裂紋沿著晶界快速擴展，導(dǎo)致接頭的沖擊韌性降低。

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