異種鈦合金線性摩擦焊溫度場、微觀組織及性能研究.pdf

1、線性摩擦焊是整體葉盤，尤其是異種材料整體葉盤焊接制造的關(guān)鍵技術(shù)，在國外航空發(fā)動機制造領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用。目前，我國航空領(lǐng)域已著手開展鈦合金雙性能整體葉盤的線性摩擦焊技術(shù)研究。因此，進行鈦合金線性摩擦焊的相關(guān)基礎(chǔ)研究，了解線性摩擦焊這種快速加熱、冷卻及大變形條件下的接頭溫度場、組織、織構(gòu)演變過程，并進行焊接接頭力學(xué)性能表征，是一項十分緊迫的任務(wù)，可為鈦合金雙性能整體葉盤的工程制造提供理論基礎(chǔ)及試驗數(shù)據(jù)。本文主要針對和圍繞制造航空發(fā)動機葉片

2、、葉盤的重要材料TC4與TC11鈦合金，全面、系統(tǒng)地開展了異種鈦合金的線性摩擦焊試驗研究，具體研究內(nèi)容及成果如下：
　　基于傅立葉熱傳導(dǎo)公式建立了線性摩擦焊過程接頭熱力影響區(qū)及母材區(qū)的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，并對熱傳導(dǎo)速度的影響因子進行了修正；通過對線性摩擦焊過程電機驅(qū)動功率檢測，計算獲得了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)摩擦階段的名義摩擦系數(shù)，計算了沿界面摩擦振動方向的一個周期內(nèi)平均摩擦功率分布，基于計算結(jié)果，建立了焊縫溫度場演變模型。設(shè)計并制作了專用的溫度測量

3、系統(tǒng)，對異種鈦合金TC4/TC11線性摩擦焊接過程焊接界面、TC4側(cè)熱力影響區(qū)及母材區(qū)進行了溫度測定，并針對熱電偶熱慣性產(chǎn)生的誤差進行了溫度修正，獲得了焊接過程接頭的熱歷史變化曲線。計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，驗證了上述模型的準(zhǔn)確性及可行性。
　　為了簡化合金元素在焊接過程對織構(gòu)及組織的影響，選用TA2純鈦進行線性摩擦焊接試驗的基礎(chǔ)研究，旨在獲得變形過程組織及織構(gòu)演變規(guī)律，為分析TC4/TC11兩相異種鈦合金線性摩擦焊接頭微觀組織

4、變形機理提供一定的理論基礎(chǔ)。對TA2線性摩擦焊接頭不同區(qū)域的織構(gòu)與微觀組織特征進行分析發(fā)現(xiàn)，熱力影響區(qū)組織發(fā)生了較大變形，晶粒內(nèi)部存在大量的亞晶粒。焊縫中心晶粒細(xì)小，其平均晶粒尺寸（約3μm）明顯小于母材（約6.7μm），同時還觀察到大量小角度晶界（約占70％）。焊縫中心晶粒內(nèi)有大量的亞晶及細(xì)小未長大的再結(jié)晶晶粒。焊縫中心及飛邊均具有在晶體學(xué)基面{0001}法線方向的織構(gòu)。對TA2接頭各區(qū)域織構(gòu)特征進行了分析，闡述了線性摩擦焊過程焊接金

5、屬的滑移面、滑移方向及原子從母材到焊縫的移動行為，從微觀上解釋了不同區(qū)域及焊接不同時刻的織構(gòu)變化過程。
　　對焊接過程不同時刻進行了TA2接頭的EBSD分析，發(fā)現(xiàn)焊接過程不同時刻接頭織構(gòu)演變規(guī)律一致，焊縫中組織具有在晶體學(xué)基面{0001}法線方向的織構(gòu)，晶體學(xué)的柱面{1010}隨著線性摩擦焊過程往復(fù)振動繞晶體學(xué)C軸轉(zhuǎn)動。對焊接過程不同時刻的組織特征分析發(fā)現(xiàn)，晶粒在剪切力的作用下產(chǎn)生了大量的位錯，異號位錯相消，同號位錯在外應(yīng)力作用下

6、進行排列，組成了位錯墻。這些位錯墻相互纏結(jié)，形成了位錯包，隨著焊接過程進行，位錯包進一步變形形成亞晶。軸向壓力及剪切力共同作用消除了組織變形的不協(xié)調(diào)性，使得晶界發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過亞晶旋轉(zhuǎn)機制產(chǎn)生了再結(jié)晶晶粒。整個焊接過程回復(fù)及再結(jié)晶現(xiàn)象同時存在。闡述了鈦合金線性摩擦焊接頭焊縫組織的演變機理。
　　對比分析了異種鈦合金 TC4/TC11線性摩擦焊接頭焊縫中心的EBSD圖像與TA2純鈦線性摩擦焊接頭焊縫中心織構(gòu)及組織特征，結(jié)果表明，兩相異

7、種鈦合金TC4/TC11接頭與TA2純鈦線性摩擦焊接頭織構(gòu)及組織演變規(guī)律具有一定的相似性。
　　對異種鈦合金 TC4/TC11線性摩擦焊接頭進行了力學(xué)性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)接頭的拉伸強度接頭強度與TC4母材等強，拉伸斷口呈現(xiàn)出韌性斷裂的特征。接頭的沖擊韌度約為TC4母材的80%。重點分析了接頭疲勞性能及其變化規(guī)律，結(jié)果表明：接頭的楊氏模量與TC4母材基本相當(dāng)；當(dāng)總應(yīng)變幅高于0.6%時，接頭發(fā)生了循環(huán)軟化；接頭的疲勞壽命及疲勞參數(shù)與TC