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.     

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.     

热处理对TC21钛合金线性摩擦焊接头组织与性能的影响

基于先进飞机构件研制需求,针对TC21钛合金线性摩擦焊接头,设计了3种热处理制度,开展了焊态及不同热处理状态下接头显微组织及力学性能研究. 结果表明,焊态试样的焊缝区由细化的β晶粒组成,晶内析出含有大量位错的针状马氏体,起到了位错强化作用,显微硬度相比母材明显提高,热力影响区由于次生α相发生了溶解,显微硬度相比母材有所降低. 热处理后焊接接头内的α相发生了显著变化,在高温区退火时,长时间保温导致初生条状α相长大,在低温区退火则促进了次生针状α相的析出;所有热处理后的接头进行拉伸试验后均断裂于母材区,经过双重退火的接头其焊缝区及热力影响区组织均为β转变组织+初生长条状α相 + 次生针状α相,并且各区域显微硬度基本与母材一致,组织更加均匀.     

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。     

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。     

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.     

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.     

TC17钛合金线性摩擦焊工艺研究及显微组织分析

采用不同焊接频率（20-50Hz）、振幅（1-4mm）、摩擦压力（32-96MPa）对TC17(α+β)/TC17(β)钛合金进行线性摩擦焊试验研究,分析了不同焊接参数对钛合金线性摩擦焊接头质量的影响及接头不同区域显微组织演变规律。结果表明：热输入不足时,无法得到良好的焊接接头,其他焊接工艺参数不变时,随着单一参数的增加,热输入量迅速升高,焊接过程达到稳定状态,参数对焊接过程及接头质量的影响较小。TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头焊缝区域在焊接过程中发生了明显的相变及动态再结晶,形成亚稳定β相;两侧热力影响区由于受到热力耦合的作用,等轴及板条状α相沿着振动方向拉长,针状次生α相完全溶解。     

热处理对异质钛合金线性摩擦焊接头组织和显微硬度的影响

研究焊后热处理对TC4和TC17异质钛合金线性摩擦焊接头显微组织的影响。焊态条件下焊缝组织为完全再结晶组织,表明线性摩擦焊接过程中,摩擦界面温度超过β相变点温度,其中TC4侧焊缝组织主要为具有马氏体组织结构的α′相,TC17侧焊缝组织主要为单一的β相。TC4与TC17侧热力影响区组织为严重的变形组织,且具有明显的方向性,但在该区各相的体积分数未发生变化。热处理后,TC4侧焊缝组织中α′转变为针状的α＋β相,且随着热处理温度的升高,针状α相粗化,长大现象明显,并导致该区的显微硬度下降。TC17侧焊缝组织热处理后从晶界和β晶粒内部析出了细小的α相,导致该区显微硬度明显提高。     

TC4钛合金摩擦焊接头的力学性能及显微组织

对钛合金TC4（Ti-6Al-4V）摩擦焊接性能进行了较详细的试验分析。结合摩擦焊接参数的优化选择,叙述了该合金摩擦焊接过程的特点,讨论分析了其焊接接头的力学性能及焊合区的显微组织结构。试验结果表明,该合金具有良好的摩擦焊接性,在无特殊保护措施的条件下,优化工艺,可获得良好的焊接接头。由于TC4钛合金导热系数小,热塑性高,容易氧化,摩擦焊亦选用较小的规范参数。焊合区硬度略低于母材,拉伸度样断于母材,拉伸、冲击断口均表现出明显的韧性断裂特性。力学性能数据表明,用优化的规范参数,TC4钛合金可获得等强、等韧甚至超强、超韧于母材的摩擦焊接接头。TC4钛合金摩擦焊接接头焊合区组织为细密的网蓝状组织,焊合区与母材过渡区为双态组织。     

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。     

TC4钛合金搅拌摩擦焊接接头组织转变特征

采用搅拌摩擦焊接技术(friction stir welding,FSW)分别在空气和强制冷却条件下对TC4钛合金板进行了连接,利用OM和TEM技术研究了焊接接头不同区域的微观组织转变特征。结果表明,FSW接头分为搅拌区、热机械影响区和母材区,各个区域经历了不同的热循环和塑性变形,呈现出不同的微观组织特征。母材区为热轧退火后的初生α和β双相组织。空气条件下,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,搅拌区为针状马氏体结构,组织转变主要为马氏体相变。     

临时合金元素氢对TC4钛合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响

采用钨铼合金搅拌头对置氢0.1%,0.3%和0.5%(质量分数)的α+β双相TC4钛合金进行搅拌摩擦焊,通过焊后真空退火将氢从焊态接头中除去,研究了氢作为临时合金元素对TC4钛合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,氢含量对置氢钛合金焊态接头的微观组织和力学性能有很大影响。氢在焊接过程中几乎未从置氢钛合金中逸出并可以通过焊后真空退火除去。焊态接头中的亚稳相和含氢相在除氢过程中发生分解及转变,除氢后接头只由α及β两相组成,但焊态接头微观组织会影响除氢态接头中α和β两相比例及形态。氢含量越高,置氢钛合金本身的力学性能越低,其焊态接头的力学性能也越低。经过除氢处理后,不同氢含量的置氢钛合金性能得到恢复且趋向一致,其接头的性能差异也明显减小,而且除氢态接头的性能与未置氢钛合金接头的性能相当。     

厚壁TC4-DT钛合金电子束焊接接头的微观组织特征

对50mm厚壁TC4-DT钛合金进行焊接试验,通过对接头横截面进行光学显微组织分析和显微硬度测试,研究电子束焊接对该合金微观组织特征的影响。结果表明:TC4-DT钛合金母材显微组织为等轴状初生α相和层片状(α+β)所构成的典型双态组织。焊缝区的显微组织为网篮状马氏体组织α,,焊缝上部粗大的原始β柱状晶界明显,下部原始β晶粒尺寸较小且晶界不明显。热影响区显微组织可分为2个区域,近焊缝热影响区显微组织为少量等轴初生α+针状马氏体α,,近母材热影响区显微组织为等轴初生α+含针状α的转变β组织。2个区域的分界取决于焊接冷却过程的β转变温度。接头焊缝区和热影响区显微硬度偏高,近焊缝热影响区显微硬度达到峰值。另外,不同焊缝深度处显微硬度有差别:随着熔深位置增加,焊缝区的显微硬度呈递增趋势。     

TC21钛合金的扩散连接研究

研究并分析TC21钛合金扩散连接接头的微观组织、界面结合质量、显微硬度和压缩变形率随连接工艺参数的变化规律.结果表明:连接温度的提高及连接时间的延长分别导致扩散系数的增大和扩散程度的增加,同时变形能力增大,因而界面焊合率提高,但接头变形率增大;在880 ℃的连接温度下,只要连接时间介于15~30 min,界面焊合率就能达到100%,而接头变形率可控制在10%以内.接头显微硬度随连接温度的升高而明显提高,但随连接时间的变化存在峰值.对接头微观组织特征的分析表明:连接温度越高,两相长大速率越快,两相尺寸增大;但当连接温度达到980 ℃时,被焊母材处于β单相区,较快的冷却速度下α相不能完全析出,接头微观组织因此变为层片状的两相组织.随着连接时间的延长,两相尺寸先增大,当连接时间延长到90 min后,高温下由α相转变而来的β相增多并被保留下来,割裂了原有的两相,使两相尺寸减小.正是接头微观组织的这种变化特征,决定了显微硬度的变化规律.     

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。     

在线去应力退火对线性摩擦焊TiAl合金接头微结构与力学性能的影响机制

采用在线去应力退火工艺对线性摩擦焊TiAl合金接头进行处理,避免了焊后裂纹的产生。显微组织分析表明,接头焊缝区与热力影响区界限明显,焊缝区主要由等轴γ晶组成,并含有少量的α₂相。靠近焊缝的热影响区内的层状γ晶具有明显的流线特征,其方向与焊接界面热塑性金属的流动方向一致。接头的显微硬度从母材区到焊缝区呈逐渐增加的趋势,焊缝区显微硬度相较于母材区增加了约1700 MPa;接头的室温抗拉强度与母材相当,在683 MPa到717 MPa之间。焊缝区的细晶强化效应是接头强度较高的主要原因。