Microstructure and mechanical properties of Ti2AlNb-based alloy weld joints as a function of gas tungsten arc welding parameters

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Gas tungsten arc welding (GTAW), also known as tungsten inert gas (TIG) welding, is a promising welding method for Ti2AlNb-based alloys, including Ti–Al–Nb–(Zr, Mo)–Si alloy, due to its accessibility and relative simplicity, making it attractive for aerospace applications. However, the application of GTAW to Ti–Al–Nb–(Zr, Mo)–Si alloy is limited by the formation of a coarse-grained microstructure in the weld, leading to reduced mechanical properties of weld joints. Purpose of the work. This study investigates the influence of GTAW modes (using direct current with low- and high-frequency pulses) on the microstructure and tensile properties of Al–Nb–(Zr, Mo)–Si alloy weld joints. Methods. GTAW of plates was carried out using welding currents ranging from 80 to 150 A, employing both low- and high-frequency (>100 Hz) pulses. The microstructure of the weld joints was examined using scanning electron microscopy (SEM). The tensile properties were evaluated through uniaxial tensile testing of the welded joints. The shielding gas flow rate was 12 L/min, while a separate gas flow of 2 L/min was used for blowing. The microstructure of the weld joints was examined using scanning electron microscopy (BSE-EBSD analysis). The tensile properties were evaluated through uniaxial tensile testing of the weld joints. Results and discussion. The weld joints microstructure is characterized by elongated, coarse dendrites in the central and weld bead regions and globular β-grains in the root part of the fusion zone. Tensile testing of the weld joints revealed a strength level approximately 90% of that of the base metal when using pulse mode (σu = 1100 MPa, δ = 1.1 %, 335–390 HV0.2) and not less than 80% when using direct current modes. This level of mechanical properties is achieved using high-frequency pulsed welding, where the maximum length and width of dendrites in the weld joint are 1.06 mm and 0.33 mm, respectively, and the average size of globular grains in the lower part of the weld joint is approximately 130 μm, which is less than that observed when utilizing the same modes, but direct current.

About the authors

S. V. Naumov

Email: NaumovStanislav@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, NaumovStanislav@yandex.ru

D. O. Panov

Email: dimmak-panov@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, dimmak-panov@mail.ru

V. S. Sokolovsky

Email: sokolovskiy@bsuedu.ru
Ph.D. (Engineering), Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, sokolovskiy@bsuedu.ru

R. S. Chernichenko

Email: rus.chernichenko@mail.ru
Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, rus.chernichenko@mail.ru

G. A. Salishchev

Email: salishchev_g@bsuedu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, salishchev_g@bsuedu.ru

D. S. Belinin

Email: 5ly87@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Perm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolskiy Prosp., Perm, 614990, Russian Federation, 5ly87@mail.ru

V. V. Lukianov

Email: Lukianovv@bk.ru
NPA "Technopark AT", 5 Tramvaynaya Str. (bld. 1), Ufa, 450027, Russian Federation, Lukianovv@bk.ru

References

  1. High-strength titanium alloys for aerospace engineering applications: a review on melting-forging process / Q. Zhao, Q. Sun, S. Xin, Y. Chen, C. Wu, H. Wang, J. Xu, M. Wan, W. Zeng, Y. Zhao // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 845. – P. 143260. – doi: 10.1016/j.msea.2022.143260.
  2. Marin E., Lanzutti A. biomedical applications of titanium alloys: a comprehensive review // Materials (Basel). – 2024. – Vol. 17 (2). – P. 114. – doi: 10.3390/ma17010114.
  3. Ezugwu E.O., Wang Z.M. Titanium alloys and their machinability – a review // Journal of Materials Processing Technology. – 1997. – Vol. 68 (3). – P. 262–274. – doi: 10.1016/S0924-0136(96)00030-1.
  4. Welding of titanium alloys / T. Pasang, Y. Tao, M. Azizi, O. Kamiya, M. Mizutani, W. Misiolek // MATEC Web of Conferences: Proceedings. – 2017. – Vol. 123. – P. 1–8. – doi: 10.1051/matecconf/201712300001.
  5. Veiga C., Davim J.P., Loureiro A. Properties and applications of titanium alloys: a brief review // Reviews on Advanced Materials Science. – 2012. – Vol. 32 (2). – P. 133–148.
  6. Kim Y.-W., Dimiduk D.M. Progress in the understanding of gamma titanium aluminides // JOM. – 1991. – Vol. 43 – P. 40–47.
  7. Shagiev M.R., Galeyev R.M., Valiakhmetov O.R. Ti2AlNb-based intermetallic alloys and composites // Materials Physics and Mechanics. – 2017. – Vol. 33 (1). – P. 12–18. – doi: 10.18720/MPM.3312017_2.
  8. Nandy T.K., Banerjee D. Creep of the orthorhombic phase based on the intermetallic Ti2AlNb // Intermetallics. – 2000 – Vol. 8 (8). – P. 915–928. – doi: 10.1016/S0966-9795(00)00059-5.
  9. Short- and long-term oxidation behaviour of an advanced Ti2AlNb alloy / M. Dadé, V.A. Esin, L. Nazé, P. Sallot // Corrosion Science. – 2019. – Vol. 148. – P. 379–387. – doi: 10.1016/j.corsci.2018.11.036.
  10. Tool wear investigation in high-pressure jet coolant assisted machining Ti2AlNb intermetallic alloys based on FEM / J. Xu, L. He, H. Su, L. Zhang // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. – 2018. – Vol. 1 (4). – P. 219–228. – doi: 10.1016/j.ijlmm.2018.08.007.
  11. Development of Ti2AlNb alloys: opportunities and challenges / W. Chen, J.W. Li, L. Xu, B. Lu // AM&P Technical Articles. – 2014. – Vol. 172 (5). – P. 23–27. – doi: 10.31399/asm.amp.2014-05.p023.
  12. Cracking of Ti2AlNb-based alloy after laser beam welding / D.O. Panov, S.V. Naumov, V.S. Sokolovsky, E.I. Volokitina, N. Kashaev, V. Ventzke, R. Dinse, S. Riekehr, E.A. Povolyaeva, E.B. Alekseev, N.A. Nochovnaya, S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1014. – P. 012035. – doi: 10.1088/1757-899X/1014/1/012035.
  13. Mechanism of reheat cracking in electron beam welded Ti2AlNb alloys / Y.-J. Li, Ai-P. Wu, Q. Li, Y. Zhao, R.-C. Zhu, G.-Q. Wang // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2019. – Vol. 29 (9). – P. 1873–1881. – doi: 10.1016/S1003-6326(19)65095-8.
  14. Reheat cracking in Ti2AlNb alloy resistance spot weldments / D. Cai, J. Chen, X. Mao, C. Hao // Intermetallics. – 2013. – Vol. 38. – P. 63–69. – doi: 10.1016/j.intermet.2013.02.013.
  15. Effects of welding condition on weld shape and distortion in electron beam welded Ti2AlNb alloy joints / Y. Li, Y. Zhao, Q. Li, A. Wu, R. Zhu, G. Wang // Materials & Design. – 2017. – Vol. 114. – P. 226–233. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.11.083.
  16. Shao L., Cui E. Joining of Ti-22Al-25Nb alloy using different welding methods // Materials China. – 2019. – Vol. 38 (3). – P. 286–290. – doi: 10.7502/j.issn.1674-3962.2019.03.11.
  17. Effect of pre-heating and post-weld heat treatment on structure and mechanical properties of laser beam-welded Ti2AlNb-based joints / D. Panov, S. Naumov, N. Stepanov, V. Sokolovsky, E. Volokitina, N. Kashaev, V. Ventzke, R. Dinse, S. Riekehr, E. Povolyaeva, N. Nochovnaya, E. Alekseev, S. Zherebtsov, G. Salishchev // Intermetallics. – 2022. – Vol. 143. – P. 107466. – doi: 10.1016/j.intermet.2022.107466.
  18. Zou J., Li H. Review on weldability of Ti2AlNb-based alloy // Materials China. – 2019. – Vol. 38 (7). – P. 710–716. – doi: 10.7502/j.issn.1674-3962.201803012.
  19. Ultrasonic frequency pulse tungsten inert gas welding of Ti2AlNb-based alloy / X. Liu, S. Wu, Y. Ji, L. Shao, H. Zhao, X. Wan // Xiyou Jinshu / Chinese Journal of Rare Metals. – 2014. – Vol. 38 (4). – P. 541–547. – doi: 10.13373/j.cnki.cjrm.2014.04.001.
  20. Gas tungsten arc welding of Ti2AlNb based alloy sheet / B. Lu, J. Yin, Y. Wang, R. Yang // Ti 2011: Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. – Beijing, 2012. – Vol. 1. – P. 816–818.
  21. Elimination of pores and microstructural characterization in Ti-6Al-4V alloy welds using fast-frequency double pulse TIG welding / Y. Kuang, J. Hu, W. Su, Z. Zhu, H. Liao, Z. Wang // Materials Today Communications. – 2024. – Vol. 41. – P. 110516. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2024.110516.
  22. A review on high-frequency pulsed arc welding / Z. Wang, D. Jiang, J. Wu, M. Xu // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 60. – P. 503–519. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.10.054.
  23. Karpagaraj A., Siva shanmugam N., Sankaranarayanasamy K. Some studies on mechanical properties and microstructural characterization of automated TIG welding of thin commercially pure titanium sheets // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 640. – P. 180–189. – doi: 10.1016/j.msea.2015.05.056.
  24. Structure and mechanical properties of welded joints from alloy based on VTI-4 orthorhombic titanium aluminide produced by pulse laser welding / S.V. Naumov, D.O. Panov, R.S. Chernichenko, V.S. Sokolovsky, E.I. Volokitina, N.D. Stepanov, S.V. Zherebtsov, Е.B. Alekseev, N.A. Nochovnaya, G.A. Salishchev // Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. – 2023. – Vol. 29 (2). – P. 57–73. – doi: 10.17073/0021-3438-2023-2-57-73.
  25. Study on arc shape, weldment microstructure, and mechanical properties of Ti-6Al-4V welded by FFDP TIG waveform / Y. Kuang, J. Jia, Z. Zhu, Z. Gui, J. Tian, Z. Wang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2024. – Vol. 130. – P. 5269–5284. – doi: 10.1007/s00170-024-13067-z.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».