基于摩擦挤压增材制造的单道多层6061铝合金组织特征与力学性能

本文成功实现6061铝合金摩擦挤压增材制造(Friction extrusion additive manufacturing,FEAM)工艺,对单道1层、2层及9层增材试样组织特征、界面连接机制及力学性能进行了分析讨论。试验表明：在主轴转速600 rpm和移动速度300 mm/min下可获得完全致密无内部缺陷的每层厚度和宽度分别约为4 mm和32 mm的6061单道1层、2层及9层增材试样。增材组织均匀完全由细小等轴晶组成,单道1层和单道9层平均晶粒尺寸分别为5.63±1.66 μm和8.31±1.68 μm,与填充棒料母材比较晶粒(24.21±5.3 μm)明显细化。单道1层增材组织内部强化相b2几乎全部溶解而b′发生粗化,平均硬度为母材的64.7%。增材界面实现冶金连接其晶粒细化最显著,由于强化相b2及b′几乎全部溶解,其硬度降低为母材的56.9%,单道9层试样因多次热循环降低为母材的50.6%。单道9层增材试样具有优良的强韧匹配,沿增材层长度方向平均抗拉强度和断后伸长率分别为194 MPa和34.6%,沿增材层垂直方向平均拉伸强度和断后伸长率分别为151.0 MPa和10.4%。     

搅拌针转速对厚板镁合金SSFSW焊缝组织及性能的影响

对9 mm厚板AZ31B镁合金进行静止轴肩搅拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir welding,SSFSW)工艺试验,探讨搅拌针转速(500～1 000 r/min)对焊缝组织及力学性能的影响规律.结果表明,在给定焊接速度80 mm/min下,搅拌针转速在600～800 r/min范围可获得表面光滑、无内部缺陷的对接焊缝,当转速为1 000 r/min时焊缝表面出现不连续凹坑但内部仍无缺陷.随着转速增加,晶粒尺寸由(11.11±1.68)μm增加到(18.95±1.83)μm;在700 r/min时焊核区晶粒尺寸沿板厚差异最小.焊缝中间硬度分布具有不均匀性且随转速增加而减小,最大差异为10.97 HV,最低硬度47 HV位于前进侧的热力影响区与焊核区界面处.在700 r/min下接头力学性能最佳,强度系数为90.2%、对应断后伸长率为母材69.3%.随着转速增加,断裂模式由韧-脆混合断裂转变为剪切-韧性混合断裂.     

2A14厚板铝合金SSFSW角焊缝接头组织及性能

采用自主研制搅拌针长度为8.5mm的静止轴肩搅拌工具和2A14-T4厚板铝合金进行150°角焊缝接头静止轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,探讨焊接工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。结果表明:在500~700r/min主轴转速与40~100mm/min焊接速度范围内均可获得表面光滑无内部缺陷的角焊缝接头,其外观尺寸可精确控制基本无残余焊接角变形。焊缝区主要由焊核(Stir zone,SZ)组成,SZ形状类似搅拌针圆锥台状或椭圆状、其宽度沿厚度方向分布比较均匀;热力影响区(Thermal mechanical affected zone,TMAZ)及热影响区(Heat affected zone,HAZ)宽度明显较小。焊缝区硬度分布具有明显不均匀特征,最薄弱区位于TMAZ与HAZ的交界处。主轴转速变化对焊缝区平均硬度影响较小,但随着焊接速度增加其平均硬度明显增大。角焊缝前进侧等效拉伸强度大于后退侧,等效拉伸强度随转速增加而减小,焊速的增大而增大。在500r/min-100mm/min焊接工艺下所得到的接头等效拉伸强度最高,可达到母材的79.24%。在拉-剪复合承载模式下,角焊缝拉伸试样宏观塑性变形很小呈现脆性断裂特征。     

焊接参数对铁素体不锈钢搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

对4mm厚T4003铁素体不锈钢进行搅拌摩擦焊接工艺实验,研究焊接参数对接头组织特征、硬度分布及常温和低温冲击韧性的影响。结果表明:接头搅拌区和热力影响区由铁素体和马氏体双相组织构成;接头搅拌区组织沿试样厚度方向存在非均质性,且随转速的降低及焊接速率的增加越发显著;转速从150r/min增加至250r/min,前进侧热力影响区组织呈现小梯度过渡趋势,无明显变形拉长特征。焊缝硬度分布相对均匀,其最高硬度为290HV,约为母材的1.87倍。焊接参数和温度对接头的冲击吸收功有较大影响:常温(20℃)下,热影响区为母材的90%～92%,搅拌区为母材的85%～103%;低温(-20℃)下,热影响区为母材的87%～97%,搅拌区为母材的82%～95%,表明焊缝区仍具有较好强韧匹配。     

CLAM钢搅拌摩擦焊接头高温蠕变行为

针对核聚变堆用CLAM钢,对焊后热处理的搅拌摩擦焊接头在823 K条件和180～300 MPa应力水平下的单轴拉伸蠕变性能、断口形貌、显微组织进行了研究. 结果表明,当蠕变应力由300,260及220 MPa降低到180 MPa时,CLAM钢搅拌摩擦焊接头的蠕变寿命分别由1.5,19.2及883 h增加到6769 h以上. 临界热影响区是接头蠕变断裂的最薄弱区域,主要呈现位错控制的蠕变变形机制和穿晶韧性断裂模式. 在蠕变过程中临界热影响区组织发生回复并形成亚晶,导致位错强化作用降低;M₂₃C₆碳化物发生不同程度的粗化或周围生成Laves相,导致析出和固溶强化作用减弱;这些因素是CLAM钢FSW接头蠕变性能恶化的主要原因. 采用Monkman-Grant方程预测FSW接头在1×105 h蠕变寿命下的蠕变断裂强度估计为156 MPa,达到母材强度的88%.     

焊后热处理对X52管线钢水下摩擦塞焊接头断裂韧性的影响

采用裂纹尖端张开位移(Crack tip opening displacement, CTOD)试验方法对X52钢水下等静压摩擦圆锥塞焊接头的断裂行为进行试验研究,探讨了焊后热处理温度对接头不同位置的微观组织及断裂韧性的影响。结果表明,由于焊缝中心产生明显不均匀淬硬马氏体及少量魏氏组织,焊态下焊缝中心CTOD平均值仅为0.103 mm,明显低于母材断裂韧性。随着焊后热处理温度从500℃增加到800℃,焊缝中心区域不均匀淬硬组织转变为回火组织并趋于均匀化,这使得焊缝中心区域抗断能力获得有效提高;在800℃热处理后焊缝中心CTOD平均值可达到0.8 mm以上。但由于结合区中夹杂物的存在,经适当温度的焊后热处理后,焊缝结合区断裂韧性的提高仍非常有限,800℃热处理后结合区CTOD值最高可达到0.3 mm。接头结合区的抗断裂能力是影响水下摩擦圆锥塞焊修复技术应用的关键因素。     

铁素体不锈钢搅拌摩擦焊工艺及缺陷形成机理

采用钨铼合金搅拌工具对T4003铁素体不锈钢进行搅拌摩擦焊接工艺试验,研究搅拌摩擦焊缝成形、接头组织特征及缺陷形成机理.结果表明,不同旋转速度下随焊接速度增加,轴向压力呈单调增加趋势;当转速为150,250 r/min时,可获得无缺陷致密焊缝;当转速为350 r/min时,靠近前进侧的焊缝区出现孔洞缺陷,随着焊接速度和轴向压力不断增加,焊接缺陷有减少趋势.焊接接头焊核区发生了相变和明显淬硬现象,组织为细小等轴铁素体和低碳马氏体,焊缝具有明显不均匀硬度分布.提出了一种焊缝热塑性金属平衡流动模型分析其缺陷形成机理.     

新型9Cr-1Mo钢搅拌摩擦焊接头组织及性能

采用钨铼合金搅拌工具对新型9Cr-1Mo钢进行搅拌摩擦焊工艺试验,探讨焊缝成形、组织及性能变化规律. 结果表明,在300和400 r/min的转速,50 mm/min的焊接速度下可获得无缺陷接头;焊缝主要由搅拌区和热力影响区组成,具有明显的马氏体淬硬组织特征;高温热影响区为淬硬马氏体和回火马氏体混合组织,低温热影响区为过回火马氏体组织. 焊缝区具有晶粒细化特征,其晶粒尺寸约为母材69.2%. 焊缝区产生明显硬化,最高硬度约为母材硬度值的2.0倍. 焊接接头抗拉强度达到母材98%以上,搅拌区和热影响区冲击吸收能量分别达到母材的77.8%和87.4%,表明搅拌摩擦焊接头仍具有较好强韧匹配.