引言
鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕以及生物相容性好等眾多優點，不僅被廣泛應用于航空航天、海洋工程、醫療等高端領域［1-4］，而且逐漸進入人們的日常生活中，如轎車零部件、眼鏡架及餐具等［5-7］。
TC4鈦合金是應用最為廣泛的一種α＋β型鈦合金，具有高的強度、塑性、韌性以及良好的焊接性能，其絲材可用于制作結構架、加固筋、安全防護架等構件。鈦合金絲材通常采用焊接方式進行連接，包括鎢極氬弧焊、等離子焊接、激光焊接、電子束焊接等［8-11］，其共同特點是鈦合金焊接時具有局部高溫、快速冷卻等特點，會導致材料焊接處組織與性能變差。目前，國內外學者已進行了多種焊接方式的相關研究，如Balasubramanian等［12］研究了鎢極氬弧焊對α＋β型鈦合金組織與性能的影響，闡述了沖擊韌性與晶粒大小成反比關系；cao等［13］利用ＹaＧ激光焊接方法焊接Ti-6Al-4V合金，發現其焊合區域存在大量馬氏體，使得材料局部塑性下降，變脆變硬；王海等［14］對TC4鈦合金絲材進行了焊接，發現焊后材料晶粒粗大，呈現脆性。然而，對于鈦合金絲材的新興應用———焊接防護架的性能研究鮮有報道，而其塑性、韌性對于防護效果十分關鍵，直接涉及到人身安全。因此，本研究通過鎢極氬弧焊接工藝制備TC4鈦合金防護架，對其進行沖擊試驗，分析沖擊性能及失效原因，為鈦合金防護架的制備提供參考。
1、實驗
以咸陽天成鈦業有限公司提供的φ4.76mmTC4鈦合金絲材為原材料，其化學成分及力學性能分別見表1及表2。將絲材彎曲，用鎢極氬弧焊工藝焊接得到防護面罩骨架。
將鈦合金骨架防護面罩平放在沖擊實驗臺上，用錘頭（質量為200kg）以30m/s的速度進行沖擊試驗，如圖1所示。
從TC4鈦合金焊件沖擊斷裂位置截取金相試樣，采用ＯlＹＭＰusＧＸ71型倒置金相顯微鏡對其組織進行觀察。
金相腐蝕液配比為V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）＝2:4:94，腐蝕時間約10s。采用ＸＲＤ7000型Ｘ射線衍射儀對焊接區域進行物相分析，測試條件：銅靶Ｋα線（λ＝0.15406nm），掃描速度8°/min，掃描范圍2θ取20°～90°。采用ＴuＫＯＮ2100型顯微維氏硬度測量儀進行硬度測量，測試點間距為0.2mm，測量載荷為50g，加載時間為30s。
采用ＷＥＷ300D萬能試驗機對TC4鈦合金絲材進行曲試驗，試驗中將絲材兩端固定在支輥上，采用R15壓頭，向下施加載荷，直至絲材斷裂。
采用ＴＥsＣaＮＶＥＧa3ＸＭu掃描電子顯微鏡觀察焊件及彎曲試樣的斷口形貌。
2、結果與分析
圖2為沖擊試驗后TC4鈦合金焊件的照片。
從圖中可以看出，沖擊試驗共造成焊件產生6處斷裂，其中有5處斷裂位于焊接處，這表明焊接處的塑性、韌性相較于其他部位有所降低。
圖3是TC4鈦合金絲材焊件的焊接部位經拋光腐蝕后的宏觀形貌，可以看出接頭與母絲材存在明顯的宏觀組織差異，包括3個區域，即焊合區、熱影響區以及母材區［15］。
圖4分別為TC4鈦合金焊件焊合區、熱影響區及母材區的金相照片。從圖中可以看出，焊合區域組織為原始β晶上分布著針狀馬氏體相（圖4a），熱影響區域多為β轉變組織（圖4B），母材區域為細小等軸α組織＋少量β相（圖4ｃ）。焊合區域針狀鈦馬氏體相是由于快速加熱及冷卻造成的，當從β晶向α晶轉變速度過快，合金中的元素來不及進行擴散便會形成馬氏體。鈦合金中常見的馬氏體有斜六方體結構α′相和斜方體結構α″相2種，這2種相對材料性能的影響有所不同，α′相較α″相具有更高的強度和脆性，然而2種鈦馬氏體形貌差別不明顯［16］，有必要對其進行進一步的分析。熱影響區域β轉變組織較多，這是因為在這個區域的冷卻速率相對較小，β相可進行有效轉變。
圖5為TC4鈦合金焊件焊合區域的ＸＲＤ圖譜。
從圖中可以看出，焊合區域出現了α′（002）、α′（100）、α′（101）、α′（102）、α′（110）、α′（200）、α′（112）、α′（201）、α′（004）等斜六方結構的衍射峰，同時也出現了α″（113）斜方結構的衍射峰，以及ω（101）密排六方結構的衍射峰。焊縫處快速冷卻產生了α′及α″馬氏體，且α′相更為明顯，這是因為鈦合金中馬氏體相的存在形式主要與β穩定元素有關，當β穩定元素含量低時更多發生α′轉變，β穩定元素多時，更多發生α″轉變［17-18］。TC4鈦合金屬于β相穩定元素較少的合金，所以會更多地發生α′轉變，而斜六方結構的α′相滑移面較少，致使材料塑性、韌性降低，強度、硬度升高。
圖6為焊接處不同區域的顯微維氏硬度。從圖中可以看出，焊合區的硬度最高，其次是母材，熱影響區硬度最低，各區域的硬度平均值分別為5.5、3.0、3.7ＧGPa。焊合區域的顯微維氏硬度明顯偏高，這是由于此區域存在大量的馬氏體α′相，其滑移面少，在變形過程中對位錯起到了釘扎效應，使得該區域硬度升高。
圖7為TC4鈦合金彎曲試樣及焊件的斷口形貌。從圖中可以看出，TC4鈦合金絲材彎曲試樣斷口周邊存在45°的剪切唇，有頸縮現象（圖7a），為韌性斷裂。而焊件斷口平齊且幾乎無頸縮現象（圖7ｃ），呈典型的脆性斷裂特征。從圖7ｄ可以看出，斷口存在河流狀解理臺階，為準解理斷裂。
由于焊接處馬氏體的晶體結構與基體不一致，當位錯到達馬氏體附近時候會產生大量位錯塞積，從而產生應力集中，當應力集中達到極限，便會發生脆性斷裂，從而形成解理臺階。
從以上分析可以看出，TC4鈦合金絲材焊接過程產生的馬氏體是導致焊件沖擊性能降低并發生脆性斷裂的主要原因，因此必須對焊件進行低溫熱處理，以消除馬氏體的影響。
3、結論
（1）TC4鈦合金絲材焊件在快熱及快冷焊接熱循環作用下，由中心焊接處到母材呈由高到低的溫度梯度，使得形成的組織呈現梯度性，即焊合區、熱影響區以及母材區。
（2）焊合區域存在馬氏體相，該馬氏體相主要以α′相形式存在，并有少量的α″相。斜六方結構的α′相滑移面少，使得焊合區域的局部顯微維氏硬度平均值達5.5GPa，是母材區域硬度值的近1.5倍。
（3）焊件斷口平齊且幾乎無頸縮現象，存在河流狀解理臺階，為脆性斷裂。
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