双光束激光焊钛合金T形接头的组织特征与力学性能

利用双侧激光同步焊接的方法获得TC4合金T形接头,对接头进行光学显微组织观察以及拉伸性能测试,分析了接头的显微组织与力学性能。结果表明,T形接头母材显微组织为α+β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组成,蒙皮侧焊缝区柱状晶和马氏体晶粒比加强筋侧细小。热影响区显微组织由细小的针状马氏体、针状α相和少量等轴初生α相组成,蒙皮侧热影响区比加强筋侧窄。T形接头焊缝区拉伸强度大于母材,接头拉伸断裂均发生在离焊缝中心较远的母材上。     

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%。     

TA15钛合金电子束焊接接头不同区域的疲劳裂纹扩展行为研究

对TA15电子束焊接接头的熔凝区和热影响区的显微组织、硬度、疲劳裂纹扩展速率、以及疲劳断口形貌进行了研究。结果表明:熔凝区的显微组织主要为粗针状α′马氏体组织,热影响区组织为α′马氏体组织+条片状的α相和β相,由接近熔凝区组织向母材组织过渡。母材的硬度较低,熔凝区平均硬度最高,热影响区的硬度介于两者之间。疲劳裂纹扩展速率高低与其显微组织密切相关,含塑性较好的片状α相较多的热影响区比熔凝区有较高的裂纹扩展抗力。     

晶粒尺寸对钛合金TIG焊接接头组织及力学性能的影响

进行了2μm及8μm,19μm三种晶粒尺寸的细晶粒TC4钛合金常规TIG焊试验,分析了母材晶粒尺寸对钛合金焊接接头组织转变规律及力学性能的影响。结果表明,细晶粒TC4钛合金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,随着晶粒尺寸的减小,焊缝中心和热影响区组织由编织(网篮)状α组织向片状组织过渡;随着晶粒尺寸的减小,热影响区晶粒长大越来越明显,热影响区细晶区(FHAZ)明显变窄,热影响区粗晶区(CHAZ)明显变宽,焊缝—热影响区—母材的晶粒梯度增大,焊接接头三区域晶粒过渡越来越差;随着晶粒尺寸的减小,焊接接头拉伸强度和伸长率均有不同程度的提高。常温拉伸断口呈准解理断裂特征,随着母材晶粒度的增大,焊接接头解理断裂特征越明显。     

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。     

30CrMnSiNi2A钢电子束焊接头的疲劳裂纹扩展特性研究

比较了26mm厚30CrMnSiNi2A超高强度钢电子束焊接头的母材、热影响区和焊缝区的疲劳裂纹扩展速率.试验结果表明,母材的抗疲劳裂纹扩展性能最好;热影响区抗疲劳裂纹扩展性能相对较弱;焊缝区的抗疲劳裂纹扩展性能接近母材.分别观察了母材、热影响区和焊缝区3个区域疲劳试样的断口形貌,发现接头各区域均呈现多源启裂特征,在稳...     

氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳裂纹扩展速率的影响

采用充氢CT试样对TC4钛合金电子束焊接头的室温疲劳裂纹扩展速率进行了测定,并对试样断口和接头各区显微组织进行了观察.试验结果表明:充氢母材试样在低速扩展区和失稳扩展区的da/dN相对于未充氢试样有明显的提高,但不同氢含量之间差别不大,在稳态扩展区(Paris区),氢对da/dN的影响很小.充氢焊缝试样在整个裂纹扩展过...     

TC2钛合金焊接接头组织与疲劳断裂性能研究

通过金相、硬度、拉伸以及疲劳实验,分析了TC2钛合金焊接接头显微组织结构、硬度分布规律及拉伸、疲劳性能,并综合疲劳断口特征,进一步分析了焊接接头光滑试样的疲劳性能与影响因素。结果表明,焊缝区为α α′相的魏氏组织,热影响区为α α′ 少量β相的魏氏组织,母材为α β相的等轴组织。焊缝区的硬度高于母材50HV,塑性较差,由于焊缝内几何不连续缺陷的存在使其疲劳性能较低;热影响区的硬度较低,塑性较好,其拉伸强度是焊接接头部位的最薄弱区,但却有较好的疲劳性能。     

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。     

Ti-22Al-27Nb/TC4异种合金激光焊接组织性能研究

研究激光焊接对2.5mm厚Ti-22Al-27Nb/TC4异种合金焊接接头组织和力学性能的影响。结果表明,激光焊接可得到表面成型良好、内部无气孔裂纹的接头。Ti-22Al-27Nb侧热影响区O相和α_2相逐渐转变为B2相。TC4侧热影响区由α'马氏体和初始α相构成。焊缝区由B2相和α'马氏体构成。Ti-22Al-27Nb/TC4异种合金激光焊接接头平均拉伸强度为1043MPa,接近Ti-22A1-27Nb母材的强度。焊接接头平均延伸率为5.65%,为Ti-22Al-27Nb母材的49%。拉伸断裂位置均位于焊缝区域,断口形貌为韧窝花样。     

基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。     

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。     

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。     

TA15钛合金电子束焊缝形貌及其组织研究

采用不同工艺参数对TA15钛合金进行电子束焊接,通过观察焊缝形貌、测量其形状参数研究了焊接接头形貌的变化规律,并分析了焊接接头组织。结果表明:增大电子束流时,熔深、半熔深熔宽、焊缝宽度都增大,焊缝横截面的形状从"钉形"转变为"钟罩形";增大焊接速度,对焊缝形状影响不大,熔深、半熔深熔宽及焊缝宽度均减小,深宽比先增大后减小;聚焦电流的增大对熔深作用较明显,半熔深熔宽及焊缝宽度变化不大;扫描幅值的增加使焊缝熔深减小,半熔深熔宽增大。靠近母材的热影响区组织与母材组织相近,主要由初生等轴状α相及转变β相组成,并出现针状(α+β);靠近熔合线的组织由α相和针状(α+β)相构成,并出现α'马氏体;熔合区组织由α'组成,熔合线周围柱状晶垂直于焊缝中心生长,并在焊缝中心形成单列或多列的等轴状晶。     

TC18钛合金焊接接头力学性能试验研究

氩弧焊和电子束焊是钛合金加工中两类常见的工艺方法,对比研究两种工艺对焊接接头力学性能的影响对其在工程中的合理选用具有重要的参考价值。完成了TC18钛合金氩弧焊接头和电子束焊接头的静力拉伸及旋转弯曲疲劳试验,并根据试验结果对两类焊接接头的力学性能进行了对比分析,采用统计学方法给出了二者的中值疲劳寿命SN曲线及疲劳极限。研究结果表明：氩弧焊接头焊缝区内晶粒粗大,使得材料的力学性能明显劣化;电子柬焊接头具有更高的抗拉强度与更好的高周疲劳性能,更有利于工程应用。     

选区激光熔化TC4小裂纹扩展特性数值模拟

发展了一种考虑微观组织的选区激光熔化（SLM）钛合金TC4小裂纹扩展数值模拟方法。基于SLM TC4的微观组织观测结果,利用Voronoi算法并通过晶体取向筛选,实现了微观组织建模。在此基础上,采用扩展有限元法建立了SLM TC4材料小裂纹扩展行为模拟方法,探究沉积方向以及晶粒尺寸、晶体取向等微观组织对小裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:沉积方向影响材料的裂纹扩展抗力,沉积方向与裂纹扩展方向平行时,材料抵抗疲劳小裂纹扩展的性能相对更好。晶粒尺寸影响小裂纹扩展速率,晶粒尺寸越大,小裂纹扩展速率越快。晶体取向影响速率的波动性,不同晶体取向材料的小裂纹扩展速率上下界有明显差异。      

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

4种典型航空钛合金材料高温裂纹扩展性能对比试验

试验测定了4种典型航空钛合金材料（即TC18、TC21、TC4 DT、Ti 6Al 4V/ELI）在两种温度（25℃和250℃）下裂纹扩展性能,在试验数据的基础上,进行裂纹扩展性能对比分析,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了高温和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,结果表明:不同温度下，不同钛合金材料裂纹扩展速率之间存在很大的差异性；与室温断口相比,高温断口表面呈现浅黄色,并伴有大量二次裂纹；钛合金的裂纹扩展性能是受温度和载荷的联合作用影响,裂纹闭合和氧化作用共同决定了其扩展历程。