TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头组织与性能

针对航空发动机钛合金整体叶盘的典型材料TC11和TC17开展对异种钛合金线性摩擦焊的研究,其中包括飞边形貌、接头组织及拉伸性能等.研究结果表明:TC11/TC17异种钛合金线性摩擦焊沿振动方向的飞边较长;焊接接头明显分为3个区域:母材、热机械影响区和焊缝区,其中TC11母材为双态组织、TC17母材为网篮组织、热机械影响区的组织沿着受力方向被拉长,焊缝发生了动态再结晶,组织为等轴晶.拉伸测试结果表明:接头的抗拉强度及屈服强度能达到与TC11等强,拉伸试样均断在TC11母材一侧,随着测试温度提高,强度呈线性下降趋势;而断面收缩率均超过TC17母材,随着测试温度提高,变化不明显.     

TC4＋TC17线性摩擦焊接头的微观组织与力学性能

进行了TC4+TC17异种钛合金试件的线性摩擦焊实验,利用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜分析了焊接接头的微观组织,并进行了焊后接头的力学性能测试.着重分析了焊接接头的焊缝、近缝区及变形区的组织特点及相变规律,并结合线性摩擦焊的工艺特点,初步分析了形变组织的形成机理.实验结果表明,利用合理的焊接工艺参数,用线性摩擦焊方法可获得可靠的Tc4+TC1钛合金焊接接头,接头的拉伸性能优于TC4母材.TC4与TC17接头的焊缝区为等轴细品组织,两侧近缝区、变形区的组织形貌差异较大.     

TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头组织与力学性能

针对用TC17(α+β)、TC17(β)钛合金材料,开展了线性摩擦焊接头组织和力学性能研究。结果表明:焊接接头共分为TC17(α+β)母材区、TC17(α+β)热力影响区、焊缝区、TC17(β)热力影响区、TC17(β)母材区5个部分;力学性能测试结果表明,试验温度为室温、200℃、300℃、400℃时,TC17(α+β)/TC17(β)线性摩擦焊接头抗拉强度均达到母材的97%,试验温度为400℃时,持久强度达到母材的95%。     

TC4/TC17钛合金线性摩擦焊接头性能分析

针对航空发动机整体叶盘典型的TC4和TC17异种钛合金材料,开展其线性摩擦焊工艺试验以及接头拉伸、高周疲劳力学性能的测试和分析.结果表明:TC4/TC17钛合金线性摩擦焊接头焊后经630℃,保温3h的时效热处理后,其拉伸和疲劳性能较好.接头的室温拉伸和高温拉伸强度均介于TC4母材和TC17母材之间,略高于TC4母材的性能;高周疲劳性能达到TC4母材高周疲劳强度的95%以上.     

TC17钛合金在TIG焊接方法下的焊接性研究

利用填充TA2焊丝的TIG焊接方法,研究了焊接接头组织和性能特点,并利用焊前涂覆活性剂和焊后进行热处理的正交试验,讨论了焊前和焊后处理方法对焊接接头性能的影响。试验结果表明,TC17钛合金TIG焊接接头明显可见焊缝、熔合线和热影响区等区域,焊缝区柱状晶特点明显并且存在一定量的小气孔,热影响区晶粒较大;焊接接头组织较母材有软化的倾向。焊后接头强度达到母材的85%,热处理后接头强度可达到母材的90%以上,并且热处理后的焊接接头具有良好的高温拉伸、持久性能,显示出TC17钛合金具有良好的焊接性。     

FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊微观组织及演变过程

对FGH96/GH4169异质高温合金惯性摩擦焊接头组织形貌及演变过程进行分析,测量了焊接过程的界面温度。结果表明,惯性摩擦焊近界面处最高温度超过1100℃,达到母材强化相固溶温度区间。摩擦初期GH4169侧率先产生磨损颗粒;摩擦过渡期磨损颗粒被细化,摩擦界面形成高温粘塑性金属,在顶锻压力作用下开始形成飞边,夹杂物随之被挤出;准平衡摩擦阶段界面处高温粘塑性金属被持续挤出,飞边增大。焊后于焊接界面处形成等轴细晶区,细晶区与母材间为热力影响区,产生明显的变形,形貌为拉长晶粒。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能分析

针对飞机用典型的TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头,开展组织及接头的拉伸、冲击和低周疲劳等力学性能测试。结果表明:TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头经过700℃+保温3h的热处理后,接头的室温和高温抗拉强度达到母材的97%以上,室温和低温冲击性能略高于母材,室温低周疲劳性能与母材相当,具有良好的综合力学性能。     

TC17钛合金焊接接头组织与力学性能分析

对TC17钛合金薄板采用氩弧焊和电子束焊两种焊接方法焊接,进行了拉伸试验,结合拉伸试验结果与断口形貌,对比分析了力学性能与焊接接头组织之间的联系。研究结果表明,TC17钛合金在经历TIG焊接热循环后,焊缝及靠近焊缝的热影响区晶粒粗化,电子束焊接头热影响区较窄且没有粗晶区形成;两种焊接试样抗拉强度均与母材等强;相对延伸率有所降低,主要是热影响区及焊缝的组织变化所致;氩弧焊焊缝组织较不均匀性更为显著。     

TC17 合金焊接接头显微组织与疲劳裂纹扩展特性

研究了TC17钛合金惯性摩擦焊焊接接头的疲劳裂纹扩展规律,并利用光学显微镜、扫描电镜对材料的显微组织和断口形貌进行分析。结果表明:TC17钛合金母材为α+β网篮状组织,晶粒较大;焊缝区和热影响区内可以看到明显的原β相晶界,焊缝区的原β晶粒较细小,热影响区的原β晶粒较粗大,晶粒内部存在细小的α相。在室温下,当ΔK≤15 MPa.m1/2时,焊缝区疲劳裂纹扩展速率较小,而当ΔK≥15 MPa.m1/2时,焊缝区的扩展速率最大,其次是热影响区,母材的裂纹扩展速率最小;在高温下,焊接接头各部位的裂纹扩展速率相差不大,均小于室温。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织特征及其形成机制

研究TC4-DT损伤容限型钛合金线性摩擦焊(linear friction welding,LFW)接头的组织特征及形成机制。利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行表征,利用显微硬度计测试接头的显微硬度分布。结果表明:接头焊缝区(WZ)发生动态再结晶,焊接过程中WZ温度超过β转变点,焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α两种相变并析出了大量α′马氏体以及二次层片α;TC4-DT钛合金母材(BM)组织具有较高的变形抗力,使得接头形成的热力影响区(TMAZ)较窄。TMAZ内组织在强烈的热力耦合作用下拉长变形并破碎,焊后快冷的条件下析出少量α′马氏体及大量二次层片α;毗邻TMAZ的热影响区(HAZ)基本保留了BM不同位向的α集束的组织特征,但受热的影响α集束内α/β相界两侧元素相互扩散,层间β消耗,初生α长大;WZ组织的细晶强化和第二相强化,TMAZ组织的应变强化和第二相强化,以及HAZ内α相的长大使得接头上述区域显微硬度均高于BM。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊过程三维数值模拟

针对TC4-DT钛合金在热模拟机上测得的流动应力数据,建立了TC4-DT线性摩擦焊同质接头三维刚塑性有限元模型,研究了温度场、金属流动。验证试验采用预埋热电偶的方法测得焊接过程中特殊点温度,同时测量了缩短量,误差不超过4%。在模拟结果中观察到,沿振动方向飞边有波纹状条纹,与实际飞边形貌符合,证明模型可用来预测线性摩擦焊过程中的温度场、轴向缩短量及金属流动情况。     

Ti/Al无针搅拌摩擦搭接点焊接头组织特征

采用无针搅拌摩擦搭接点焊对Ti6Al4V钛合金和2A12铝合金异种金属进行焊接,焊后低熔点铝合金受摩擦热影响发生熔化,而高熔点钛合金在焊接过程中始终保持固态,同时与处于液态的铝合金相互作用,最终Ti/Al界面形成熔钎焊接头且接头拉伸剪切力达19.20 kN。研究了Ti/Al熔钎焊接头钛合金和铝合金的组织变化以及连接界面的特征形貌。结果表明由于摩擦热及搅拌头下压的影响,焊点处钛合金和铝合金组织发生明显变化。钛侧主要形成热力影响区和母材区;铝侧形成熔核区、热影响区和母材区3个区域,热影响区和熔核区的晶粒尺寸相对母材区变粗大,其组织经历了受热长大、部分熔化到完全熔化3个过程。在搭接接头界面处形成均匀致密且微薄的金属间化合物层,主要成分为TiAl₃;接头界面区组织变化明显,中间部位有均匀的TiAl₃界面层,随着向接头两边延伸界面层逐渐消失且Cu元素聚集在边缘。相对其他Ti/Al搭接点焊的焊接方法,无针搅拌摩擦搭接点焊获得的接头抗拉伸剪切力得到了明显的提升。     

TC4钛合金惯性摩擦焊接过程的数值模拟

文摘基于ABAQUS有限元分析软件,建立了TC4钛合金的惯性摩擦焊(IFW)焊接过程的二维轴对称模型,通过确立Johnson-Cook损伤模型以及ALE技术对TC4钛合金的惯性摩擦焊焊接过程进行了热力耦合分析,发现TC4惯性摩擦焊在0.2 s内温度升高到200~300℃,0.5 s左右温度升高到1 100~1 200℃之后温度升高趋于平缓,到达峰值后温度缓慢下降,焊接完成。轴向缩短量在0.6 s内非常小,温度达1 100~1 200℃(0.6~1.2 s)轴向缩短量增长十分快并基本达到峰值,1.2~1.4 s由于粘结作用温度不再升高轴向缩短量增加缓慢,1.4 s后焊接基本完成轴向缩短量不再增加。初始阶段轴向应力基本没有变化,随着温度升高(0.2~0.5 s)压应力在中心区域增大,0.5~1.2 s内边缘形成拉应力,中心区域应力集中愈发明显,1.2 s后拉应力明显增加。而径向应力随着温度的升高中心应力明显高于外侧并使金属向两侧流动。这就可以得出飞边形成主要是因为高温、轴向应力以及径向应力共同复杂作用而形成的结果。模拟结果基本与实际相符,对提高惯性摩擦焊焊接质量提供了重要的参考作用。     

TC11与TC17异质钛合金线性摩擦焊连接机理研究

为了探明TC11与TC17异质钛合金线性摩擦焊接头连接机理,采用扫描电镜来研究接头不同位置的微观形貌。结果表明,在振幅为3mm、频率为40Hz、摩擦压力为66.7MPa、摩擦时间为2s的条件下,在接头表面表现为"摩擦磨损"特征。在距接头表面2.5mm处,接头具有"粘着剪切"特征,且原始摩擦界面上有微孔存在,TC11钛合金发生了动态再结晶,而TC17未发生动态再结晶。在距接头表面5mm处,界面上有微孔存在,且在TC17焊缝与热机械影响区(TMAZ)交界处产生裂纹。在距接头表面7.5mm处,原始摩擦界面无微孔存在,在TC17焊缝与TMAZ交界处有裂纹存在。在距接头表面10mm处,接头内无缺陷存在。接头内不同位置的形貌在一定程度上反映了接头的形成过程。     

异种状态TC4 钛合金电子束焊接性能分析

针对相对疏松的铸造钛合金和相对密实的锻造钛合金的焊接问题,开展了两种状态的TC4钛合金电子束焊接工艺研究,对比了不同焊接参数对焊接质量的影响。研究结果表明,采用方波扫描可以较好地实现铸造钛合金与锻造钛合金的连接,焊缝成形良好,内部无缺陷;焊接接头力学性能分析表明,拉伸断裂位置全部在铸件母材区一侧。实焊结果证明,电子束焊接可以实现异种状态TC4钛合金焊接的工程化应用。     

TC4钛合金薄板高能束焊接接头疲劳性能研究

对TC4钛合金薄板激光焊和电子束焊接头的疲劳性能进行了试验研究,测试了不同应力水平下的疲劳寿命。采用统计分析的方法研究了TC4钛合金薄板母材及其高能束流焊接接头的中值疲劳寿命。分析了焊接工艺条件对接头疲劳强度的影响。结果表明,在高应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命,在低应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命高于母材的疲劳寿命。     

TC17钛合金惯性摩擦焊接头室温断裂韧性测试与分析

TC17钛合金主要用于航空发动机整体叶盘、转子和大截面锻件的制造。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。通过对TC17钛合金惯性摩擦焊接头断裂韧性的测试,可为钛合金惯性摩擦焊整体转子损伤容限分析提供技术和数据支持。     

异种状态TC4钛合金电子束焊接性能分析北大核心CSCD

针对相对疏松的铸造钛合金和相对密实的锻造钛合金的焊接问题,开展了两种状态的TC4钛合金电子束焊接工艺研究,对比了不同焊接参数对焊接质量的影响。研究结果表明,采用方波扫描可以较好地实现铸造钛合金与锻造钛合金的连接,焊缝成形良好,内部无缺陷;焊接接头力学性能分析表明,拉伸断裂位置全部在铸件母材区一侧。实焊结果证明,电子束焊接可以实现异种状态TC4钛合金焊接的工程化应用。     

TC21细晶钛合金TIG焊接接头组织及力学性能研究

开展了不同晶粒尺寸的细晶粒TC21钛合金的TIG焊接实验,研究了母材及接头组织和力学性能。结果表明：细晶粒TC21钛合金TIG焊接接头抗拉强度达到母材的95％左右,焊接性较好;但是焊接接头脆化严重,伸长率和断面收缩率均较低。焊缝中心和热影响区组织相似,为α’马氏体组织。相同焊接规范下,21μm的细晶TC21合金焊缝及热影响区为片状或长粒状α’组织;而7μm的细晶TC21合金接头中α’丛的尺寸较小且相互交错,形成针状或短粒状α’组织。硬度测试表明：靠近母材的热影响区细晶区存在一个软化区,该区域硬度最低,而焊缝中心与热影响区粗晶区分界处（细晶过渡区（FTZ））也存在硬度的下降,不过此区域下降幅度不大。常温拉伸断口呈准解理断裂特征,随着母材晶粒度的增大,焊接接头解理特征越明显。     

TC4钛合金激光窄间隙焊接工艺与组织特征研究

使用IPG YLS-5000多模光纤激光器实现了12mm厚TC4钛合金光纤激光窄间隙焊接,优化了焊接工艺,并对焊缝组织和显微硬度进行了分析.结果表明:激光窄间隙焊接容易产生气孔和侧壁未熔合缺陷,优化后的焊接工艺能显著减少气孔并消除未融合缺陷.母材显微组织为典型的等轴组织,焊缝区显微组织由粗大的β柱状晶和网篮状马氏体α'组成.热影响区晶粒尺寸明显细化.热影响区组织由细小的针状马氏体α'、转变α组织和β转变组织构成.焊缝区和热影响区的显微硬度高于母材,近焊缝热影响区显微硬度达到最大值.