TC21钛合金线性摩擦焊接头组织及性能分析

本文对TC21钛合金进行线性摩擦焊接试验,采用OM、SEM等测试手段对接头各区域显微组织演变规律进行了分析,并通过显微硬度仪和电子万能试验机对接头显微硬度及拉伸性能进行测试。结果表明：TC21钛合金线性摩擦焊可以得到良好的焊接接头,接头明显分为母材区、热力影响区和焊缝区;焊接过程中焊缝区发生了相变及动态再结晶过程,形成细小的再结晶晶粒,板条状α相在晶界处析出,针状马氏体α′相在晶粒内部析出,并有少量的残余α相保留至室温;热力影响区主要以变形α相为主,随着向两侧母材靠近,再结晶程度逐渐减弱,α相比例逐渐增加。由于飞边形成阶段及焊后冷却速率大小不同,导致沿着焊缝中心向飞边端部靠近,晶粒尺寸逐渐变大。TC21钛合金线性摩擦焊接头显微硬度呈拱形分布,焊缝中心显微硬度值达到最大值460HV,拉伸性能测试结果表明,接头强度与母材相当。     

TC17钛合金惯性摩擦焊接头组织特征分析

TC17是一种α β型钛合金,主要用于制造航空发动机整体叶盘、转子和大截面锻件.采用惯性摩擦焊工艺制造航空发动机压气机整体转子能够减少零件数量并有效地提高结构刚度.主要分析TC17惯性摩擦焊接头区组织特征,结果表明:接头组织为细晶区、变形晶区和热影响区,晶粒内部为残留的亚稳定β'相;焊接接头时效热处理后晶粒内部为细小的层片束初生α相、短小的次生α相和β相.     

TC17钛合金线性摩擦焊接头组织及性能

文中针对航空发动机风扇及压气机盘TC17钛合金材料,开展了接头组织分析、拉伸性能测试及硬度测试,分析了接头不同部位组织特征及形成原因.结果表明,接头明显分为母材区（BM）、热力影响区（TMAZ）和焊合区（WZ）,焊接接头中部热力影响区的组织表现为等轴晶粒,而靠近焊缝边缘处热力影响区的晶粒表现为沿着受力方向被拉长,焊合区发生了动态再结晶;接头的拉伸性能与母材相当;接头热力影响区的硬度高于母材和焊合区,平均硬度为486 HV.     

置氢TC4钛合金线性摩擦焊接头组织

采用线性摩擦焊技术对置氢TC4钛合金进行了焊接。利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等对不同氢含量试样接头各区的显微组织进行分析,并探讨氢致钛合金高温塑性的微观机理。结果表明:置氢钛合金试样接头的焊缝宽度比未置氢试样的明显减小;随着氢含量的增加,试样母材和热力影响区组织中β相的含量增加;氢使得钛合金试样焊缝附近的位错密度降低,说明氢促进了位错运动;置氢钛合金接头组织中层错和孪晶的数量明显增加;在氢含量为0.4%和0.6%(质量分数)的TC4钛合金接头组织中发现了面心立方结构(FCC)的片状氢化物δ。氢主要是通过改变钛合金中的两相比例,促进位错运动和动态再结晶等机制来增强钛合金的高温塑性,从而改善线性摩擦焊的连接性能。     

钛合金线性摩擦焊接头焊接缺陷分析

本文选用几种不同工艺参数对TC17钛合金进行线性摩擦焊试验。采用填埋热电偶的方法测量焊接过程中界面温度,运用光学显微镜、扫描电子显微镜等测试手段对接头焊接缺陷进行深入分析,利用显微硬度仪测量了两种不同参数下接头的显微硬度分布。研究表明：当振幅a=1mm时,焊接过程中热输入严重不足,无法得到良好的焊接接头,焊接过程中界面最高温度仅达到相变点附近,而采用a=3mm焊接时,界面温度可以达到1170℃。振幅a=1mm得到的TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头界面会出现孔洞、磨损颗粒、氧化物及夹杂、局部未焊合等焊接缺陷。显微硬度测试结果表明：在a=3mm参数下接头焊缝中心显微硬度值最低,相反残留氧化物及夹杂的存在使得振幅a=1mm时得到的接头焊缝中心显微硬度值达到最大。     

异质钛合金线性摩擦焊接头微观组织与显微硬度分析

选用优化的工艺参数对TC4/TC17异质钛合金进行线性摩擦焊及测温试验.焊后利用光学显微镜、扫描电镜及显微硬度仪等对接头微观组织及显微硬度进行分析.结果表明,线性摩擦焊接过程中界面温度超过1 200℃、超过β相变温度,在焊后冷却过程中发生再结晶,产生细小针状组织.界面混合区再结晶组织有等轴化甚至球化现象.TC4侧热力影响区由被拉长的α相及破碎的β相组成,TC17侧热力影响区的α相和β相被拉长细化.TC4侧热力影响区组织发生应变强化,TC17侧热力影响区靠近焊缝侧发生一定的软化现象,靠近母材侧强化现象明显.     

高氧TC4/TC17钛合金线性摩擦焊接头组织特征及力学性能

对高氧TC4/TC17异质钛合金进行线性摩擦焊试验,研究了焊接接头各区域组织特征、焊接界面合金元素扩散行为及力学性能. 结果表明,焊接过程中焊缝区发生了相变及动态再结晶,形成细小的等轴晶粒. 高氧TC4侧焊缝区形成针状马氏体,TC17侧形成亚稳定β相;两侧热力影响区晶粒均发生了破碎,沿着振动方向拉长. 焊后冷却阶段在焊合线附近出现合金元素扩散现象,扩散区域狭窄. 焊缝中心处显微硬度值最高达到420 HV,高氧TC4侧显微硬度随着靠近母材而逐渐降低;TC17侧显微硬度随着远离焊缝中心迅速升高. 拉伸性能测试结果表明,接头抗拉强度与高氧TC4母材相当.     

TC4钛合金高转速惯性摩擦焊接头组织及性能分析

采用高转速(3500～4300 r/min)惯性摩擦焊方法焊接TC4钛合金,观察了不同焊接工艺条件下焊接接头的显微组织,讨论了高转速条件下惯性摩擦焊接接头组织的形成机理,分析了焊接接头的性能.结果表明,TC4钛合金惯性摩擦焊焊接接头的形状呈"V"字型,焊缝区和热影响区的组织特征与低转速条件下的显微组织一致.焊缝组织沿径向变化,心部为细小的等轴晶,向外逐渐过渡为片状组织;焊缝区的硬度高于母材和热影响区;接头拉伸试样断裂于母材.     

TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头界面研究

采用OM、SEM、TEM等手段对TC11和TC17钛合金线性摩擦焊接界面的显微组织进行了分析。结果表明,在焊合界面处发生了动态再结晶,形成了共有晶粒和共有晶界,共有晶粒内焊合界面处形成了一个相界面。合金元素在共有晶界和共有晶粒内相界面处均发生了相互扩散。在共有晶粒和共有晶界形成过程中对溶质元素的排斥、吸附与拖曳作用下,共有晶粒内相界面处合金元素的变化范围比共有晶界处宽,且焊合区相界面处的成分变化要大于相内部。焊合界面处形成了大量细小的针状α相,其内有大量的变形孪晶。共有晶粒内的焊合界面的微观结构包括2个界面(两侧材料各自的再结晶生长界面)和2个生长区(有序和无序),该处动态再结晶也有类似于凝固结晶的有序和无序结晶过程。     

TC17钛合金线性摩擦焊接头组织及力学性能分析

针对固溶时效态TC17钛合金焊态及焊后热处理态线性摩擦焊接头,进行显微组织及力学性能对比分析. 结果表明,焊态时焊缝组织发生了回复与再结晶,由于焊后冷却速度较快,生成了亚稳定β相,焊缝区发生了软化;热力影响区组织沿受力变形方向拉长、细化、交替呈带状分布,加工硬化程度较高,显微硬度明显高于其它区域;热影响区由于二次次生α相基本溶解于亚稳定β相,导致显微硬度显著降低. 经过焊后热处理,亚稳定β相发生时效分解,析出了弥散程度更高的针状次生α相使得焊接区硬度大幅度提高. 由于亚稳定相的生成,焊态接头发生软化,拉伸均断裂在焊缝区,抗拉强度达到母材强度91.8%,断口呈脆性断裂形态;焊后热处理态接头由于二次次生α相的析出,起到弥散强化的作用,拉伸试验均断在母材,断口呈典型韧性断裂形态.     

TC17合金等轴组织和网篮组织的高周疲劳断口

本文对比分析了TC17钛合金两种典型组织形态(等轴组织和网篮组织)对高周疲劳断口形貌的影响。结果表明：两种组织的宏观疲劳断口均呈现出脆性断裂的特征,疲劳源区均位于试样表面,但是高周疲劳断口形貌却呈现显著差异,主要表现在宏观粗糙程度和微观形貌特征两个方面。宏观上看,等轴组织的疲劳断口较为平整,疲劳裂纹源区和扩展区的面积占断口面积的比例较大,网篮组织的疲劳断口则非常粗糙,表面起伏较大,疲劳断裂区占断口面积的比例较小。微观上看,两种组织形态的显微组织特征在断口形貌上均有体现,等轴组织的微观断口形貌较为细小,疲劳条带与组织中等轴α相具有相似尺寸;网篮组织的疲劳断口上可以看到α片层交织的形貌特征,二次裂纹遍布裂纹扩展的各个阶段,疲劳条带与等轴组织中的条带特征也有较大差异。     

TC4合金线性摩擦焊摩擦时间与变形量的关系

用自制的XMH-160型线性摩擦焊机，试验研究了TC4钛合金线性摩擦焊的摩擦时间对摩擦变形量的影响，结果表明，其变形量随摩擦时间的增加近似呈指数关系增大。分析了出现非线性摩擦变形量的原因，以及线性摩擦焊飞边形貌的一些基本特点。     

固溶处理对TC17合金组织与性能的影响

对厚度为8．0mm的TC17合金固溶处理温度、时间、冷却方式进行了研究，讨论了热处理工艺参数、组织与性能之间的关系，为该合金板材选择合适的热处理制度提供依据。     

三种组织TC17合金的疲劳裂纹扩展行为研究

本文通过对TC17合金进行常规锻造、β锻造和“β区预变形+(α+β)区大变形”,获得了等轴组织、网篮组织和球化组织三种典型显微组织,并通过裂纹扩展速率测试研究了不同显微组织对TC17合金疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,显微组织对TC17合金的疲劳裂纹扩展速率具有显著影响,网篮组织的抗裂纹扩展能力最优,球化组织次之,等轴组织最差,基于断裂力学和Paris公式,建立了三种典型组织TC17合金的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,对预测模型的分析发现,三种组织的长裂纹扩展寿命仅占疲劳总寿命的极小部分,控制裂纹起始(形核和短裂纹扩展)更为重要,提高抗疲劳裂纹扩展能力的意义在于提高临界裂纹长度。     

碳纳米管对TC4钛合金激光焊焊缝成形和组织的影响

选取羟基化多壁碳纳米管作为表面活性剂对TC4钛合金进行活性CO2激光焊接,焊后测量并计算了焊缝的熔深、熔宽及深宽比,观察分析了焊缝显微组织,测定了接头硬度和焊缝的物相组成。结果表明：TC4钛合金表面涂覆质量分数为4%的碳纳米管溶液,形成的涂覆层均匀致密;在给定焊接参数条件下,该涂覆层可使焊缝熔深增加约6%,熔宽降低约4%,深宽比增加约10%;涂覆碳纳米管可以增加激光吸收率,使得焊缝温度升高、冷却速率增大,因而涂覆碳纳米管的焊缝β晶粒较细,晶内的α′相较未涂覆碳纳米管的短小;碳纳米管对焊缝硬度和焊缝的物相组成无明显影响。     

强制冷却对TC4钛合金搅拌摩擦焊接接头组织性能影响

分别在空气和强制冷却条件下对TC4钛合金板进行了搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW),对比研究了焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明,FSW接头分为搅拌区、热机械影响区和母材区。母材区为热轧退火后的初生α和β双相组织。空气条件下焊接,搅拌区为α+β片层结构,组织转变主要为β相转变为片层α+β两相,热机械影响区为等轴晶α和α+β片层的双态组织,组织转变受动态再结晶和相变共同作用。强制冷却条件下焊接,搅拌区为针状马氏体,组织转变主要为马氏体相变。与空气条件下接头相比,强制冷却条件下的FSW接头显微硬度明显提高,但抗拉强度略微降低。     

激光线能量对TC17钛合金焊接接头组织和疲劳性能的影响

在不同的激光线能量条件下对TC17钛合金进行了焊接,采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉伸和疲劳试验机对接头的宏观形貌、微观组织和力学性能进行了对比研究。结果表明：随着激光线能量的增加,焊缝宏观形貌由Y型转变为X型、焊缝中气孔缺陷数量先增加后减少,气孔缺陷主要分布在焊缝的中下部。焊缝由柱状晶粒组成,柱状晶内部存在条形枝晶,枝晶间距随着线能量的增加而逐渐增大。热影响区由尺寸较小的等轴晶组成,随着激光线能量的增加,α相晶粒逐渐细化,而β相逐渐粗化。在拉伸和疲劳试验中,TC17激光焊接接头均断裂在焊缝。受焊缝内部枝晶尺寸的影响,抗拉伸强度随线能量的增加而降低。气孔是导致疲劳断裂的主要原因,气孔缺陷数量越少,则疲劳寿命越长。     

TC17钛合金构件激光直接成形固态相变行为及显微组织

采用激光熔化沉积技术直接成形TC17钛合金构件,利用OM、SEM以及XRD分析其显微组织特征,并重点研究了其在激光短时循环加热冷却作用下的固态相变行为及显微组织演化特点。结果表明,激光熔化沉积TC17钛合金具有定向外延生长的"指节"状晶粒和少量等轴晶交替排列的凝固组织,其显微组织是由不规则片状初生α相和细小网篮状β转变组织组成的超细特殊双态组织。最后约12个沉积层内由于热循环历史不同,使得不同沉积层固态相变显微组织不同:顶部4个沉积层内显微组织为相变点以上快速冷却形成的细针状马氏体,第N-4~N-6层由细针状马氏体和马氏体分解形成的少量不规则片状初生α相组成,第N-7~N-11层内逐渐形成特殊双态组织。