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。     

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

为了探明TC11与TC17异质钛合金线性摩擦焊接头微观组织形成机制,采用光学显微镜和扫描电镜研究接头不同区域的微观组织.结果表明,线性摩擦焊接头由TC11一侧的热力影响区(TMAZ)、TC11一侧的焊缝区、TC17一侧的焊缝区和TC17一侧的TMAZ所组成.在TMAZ未发现有动态再结晶发生,而材料的相变与变形是同时进行的.在焊缝区内发生了动态再结晶过程,摩擦停止后在摩擦界面上形成初生β共生晶粒.在振幅为3 mm、频率为40 Hz、摩擦压力为66.7 MPa条件下,随着摩擦时间的延长,初生β相动态再结晶晶粒尺寸和α相片层宽度增加.     

摩擦压力对异质钛合金线性摩擦焊接头界面组织的影响

选用不同摩擦压力对TC11/TC17异质钛合金进行了线性摩擦焊试验.焊后利用扫描电镜对焊接接头微观组织进行了分析.结果表明,摩擦压力越大,摩擦界面获得的焊接热输入量越大,产生的飞边越大.焊缝区宽度随摩擦压力的增大而减小.热机影响区组织变形严重,由被拉长的α相及破碎的β相组成,靠近焊缝附近有明显的再结晶现象.线性摩擦焊接过程中界面温度超过β相转变温度,在焊后冷却过程中β相发生再结晶,产生细小的针状组织.焊缝中的再结晶晶粒随着摩擦压力的增大而变得更加细小.     

钛合金线性摩擦焊接头形成机制

采用扫描电镜和透射电镜研究TC11同种及TC11与TC17异种钛合金接头微观组织,以探明线性摩擦焊接头形成机制.结果表明,同种钛合金线性摩擦焊接头形成过程与异种钛合金明显不同,这主要是由于二者产热行为不同所致.同种钛合金焊接时,刚开始阶段是以摩擦产热为主,界面形成金属键连接后界面金属的变形产热将占主导.异种钛合金焊接时,刚开始阶段也是以摩擦产热为主,而当界面形成金属键连接后TC11一侧金属的变形产热将是接头热输入的主要来源.随着热量向TC17一侧金属的传导,TC17将发生大变形,接头热输入以TC11与TC17的共同变形产热为主.     

钛合金线性摩擦焊接头动态再结晶规律研究

针对TC4/TC17异种钛合金进行了线性摩擦焊试验,利用光学显微镜与扫描电镜对焊接接头各区域的微观组织进行了分析,并采用透射电镜分析了钛合金线性摩擦焊接头焊合区的动态再结晶规律。结果表明:在焊接升温的过程中,TC4/TC17钛合金线性摩擦焊焊缝区已经达到β转变温度。在热和力的作用下,焊缝中心处金属发生动态再结晶,生成了细小的等轴晶粒。由于焊合区在共生晶粒形成之后又经历了强塑性变形,焊合区的晶粒内部产生了高密度的位错。位错运动形成亚晶界,焊合区形成亚晶粒,并以亚晶粒为形核核心,发生动态再结晶过程。     

TC4钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能

文中阐述了线性摩擦焊的原理、特点,并针对TC4钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能进行了研究.对比分析TC4钛合金线性摩擦焊接头焊态和焊后热处理态的接头组织和力学性能.结果表明,焊接接头共分为母材、热力影响区和焊缝区三部分;TC4钛合金的接头(包括焊态和焊后热处理态)抗拉强度和屈服强度均达到母材的90%以上;焊缝中心的硬度值最高,焊后热处理能使接头的硬度分布更加均匀.     

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。     

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.     

焊后热处理对TA15钛合金线性摩擦焊接头组织和性能的影响

采用前期优化的工艺参数,通过自行研制的线性摩擦焊机焊接TA15钛合金试件,焊后对部分试件进行600℃×3 h的热处理,并对焊态和热处理态组织与力学性能进行对比分析。结果表明,焊态条件下接头组织更细小,为亚稳态组织;热处理态接头组织中析出了次生α相,且晶粒发生球化长大现象,接头组织更加均匀。对两种接头在室温条件下进行拉伸试验,接头拉伸断裂位置均在母材处,且热处理接头的抗拉强度和屈服强度均较焊态下要高。热处理后接头的疲劳强度明显提高。     

基于计算机模拟的钛合金线性摩擦焊接焊缝内部残余应力分析

基于轮廓法测量通过线性摩擦焊接的TC17钛合金接头内部残余应力是一个能够获得接头内部应力状况的全新破坏性技术。首先将试样切成两半;然后测量由于残余应力的释放而引起的平面轮廓的位移;最后将切面的测量轮廓作为边界条件,用线弹性有限元计算垂直于切割平面的残余应力。对TC17钛合金线性摩擦焊接接头的内部应力分布进行分析。结果表明,TC17线性摩擦焊接焊缝的拉伸残余应力主要集中在距离焊缝中心12 mm的区域内;拉应力峰值处于焊缝中心,达到360 MPa(约为TC17合金屈服强度的1/3);应力在厚度方向的分布是不均匀的,并且内部的应力大于邻近的顶部和底部表面的应力。     

Internal residual stress measurement on linear friction welding of titanium alloy plates with contour method

The internal residual stress within a TC17 titanium alloy joint welded by linear friction welding (LFW) was measured by the contour method, which is a relatively new and destructive technique to obtain a full map of internal residual stress. The specimen was first cut into two parts; the out-of-plane displacement contour formed by the release of the residual stress was then measured; finally, taking the measured contour of the cut plane as the boundary conditions, a linear elastic finite element analysis was carried out to calculate the corresponding distribution of residual stress normal to the cut plane. The internal stress distribution of the TC17 titanium alloy LFW joint was also analyzed. The results show that the tensile residual stress in the TC17 LFW weld is mainly present within a region about 12 mm from the weld centerline; the peak tensile residual stress occurs at the weld centerline and reaches 360 MPa (about one third of the yield strength of TC17 alloy); within the weld zone of the TC17 LFW weld, the through-thickness stress is not uniform, and the internal stress is larger than that near the top or bottom surface.     

钛合金的搅拌摩擦焊探索

通过对钛合金热物理性能分析，比较了钛合金的搅拌摩擦焊特性；针对钛合金的特点特别设计和使用了可以满足钛合金搅拌摩擦焊的搅拌头、垫板、冷却和保护装置等；并且对Ti-6Al-4V钛合金的搅拌摩擦焊焊缝和接头进行了观察分析，还对接头力学性能进行了测试，初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接，接头强度可以达到母材强度90％以上，但是搅拌摩擦焊工艺、参数、搅拌头还需要进一步优化，性能指标还可以进一步提高。     

异质钛合金线性摩擦焊接头形成过程及组织特征

对TC4和TC17异质钛合金线性摩擦焊接头形成及接头组织特征进行分析,并测量了动态平衡阶段的界面温度.结果表明,在摩擦初期界面容易产生大的磨损颗粒,摩擦过渡阶段两侧基体材料产生大的塑性变形,大的磨损颗粒被细化,摩擦界面开始产生高温粘塑性金属;动态平衡摩擦阶段高温粘塑性金属被均匀的挤出界面形成飞边,焊后界面两侧组织被细化.测温结果显示,摩擦过程中界面温度超过1 200℃,高于两基体材料的相变温度,TC17侧焊缝中形成再结晶β晶粒,TC4侧形成典型的魏氏组织,焊缝两侧的热力影响区产生明显的变形,组织均被拉长.     

TA15线性摩擦焊接头高周疲劳性能分析

在相同热处理制度下,开展了TA15钛合金母材与TA15线性摩擦焊接头高周疲劳性能试验,并对疲劳断口进行扫描电镜分析. 结果表明,从S-N曲线低应力区到高应力区,焊缝针状组织的疲劳强度高于母材双态组织,随着应力的增大,两种组织的疲劳强度差异逐渐缩小;接头针状组织的疲劳极限(463 MPa)高于母材双态组织(423 MPa). 断口分析结果表明,TA15母材的疲劳断口相对较平,扩展区二次裂纹较少,而线性摩擦焊接头中存在较多的二次裂纹,降低了裂纹扩展速度,说明针状组织的疲劳性能优于双态组织.     

Single block 3D numerical model for linear friction welding of titanium alloy

ABSTRACT

A two-stage approach for the simulation of Linear Friction Welding is presented. The proposed model, developed using the commercial simulation package DEFORM, is 3D Lagrangian, thermo-mechanically coupled. The first phase of the process was modelled with two distinct workpieces, while the remaining phases were simulated using a single-block model. The Piwnik–Plata criterion was set up and used to determine the shifting from the dual object to the single-block model. The model, validated against experimental temperature measurements, is able to predict the main field variables distributions with varying process parameters. Titanium alpha and beta phases evolution during the whole process has been predicted and the obtained results have been correlated to the experimentally measured micro-mechanical properties of the joints.     

TA19钛合金惯性摩擦焊接工艺

采用惯性摩擦焊接工艺对TA19钛合金进行了焊接试验研究,针对不同工艺参数下的焊接接头力学性能进行了室温拉伸、高温拉伸及显微硬度等测试,并对优选工艺后焊接接头显微组织进行了分析. 结果表明,TA19钛合金具有良好的惯性摩擦焊接性,在合理焊接工艺条件下能得到高强度焊接接头;焊接接头各区域中焊缝区显微硬度最高,随着向母材区过渡,显微硬度逐渐降低;焊缝区为典型的动态再结晶组织,主要由少量沿β相晶界分布的沿晶α相+α′马氏体组成,热力影响区由变形初生α相+α′马氏体组成,热影响区微观组织与母材相近,仅有部分板条状β相及板条状次生α相发生交叉分布.