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。     

Ti2AlNb/Ti60线性摩擦焊接头组织特征及力学性能

对Ti₂Al Nb及Ti60合金进行了线性摩擦焊接(LFW)试验,利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行了表征,测试了接头的力学性能。结果表明,接头两侧热力影响区(TMAZ)组织沿摩擦方向变形,Ti₂Al Nb侧TMAZ发生了α2→B2和O→B2相转变,B2相体积分数相比母材显著增高,Ti60侧TMAZ发生了β→亚稳β→α相转变,析出了细小的层片状次生α相。接头两侧焊缝区(WZ)发生了动态再结晶,Ti₂Al Nb侧WZ完全转变为B2相并在快速冷却后保留下来,Ti60侧WZ在高温下首先转变为高温β相,焊后快冷过程中发生β→α′相转变,析出α′马氏体。接头界面发生了溶质元素的互扩散,形成了宽约为1μm的元素扩散层,界面两侧晶粒实现“共生”。在TMAZ组织的形变强化、沉淀强化,WZ组织的细晶强化、沉淀强化的综合作用下,接头拉伸强度(939 MPa)不低于Ti60母材,断裂模式为韧性断裂。     

钛合金惯性摩擦焊接头断裂韧性的研究

对钛合金惯性摩擦焊接头的断裂韧性（ＣＴＯＤ）进行了研究，并用光学显微镜和电子显微镜对裂纹尖端显微组织进行了分析。结果表明，焊态接头的断裂韧性较低，这主要与其显微组织细小有关，而焊后普通退火可以明显提高焊接接头的断裂韧性。     

AZ31厚板镁合金双面搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

采用单轴肩搅拌摩擦焊实现了40 mm厚的AZ31镁合金双面对接焊接,对接头组织及力学性能进行了分析研究。结果表明,双面搅拌摩擦焊(Ds–FSW)接头光滑整洁,无缺陷。接头可划分为母材(BM)区、热影响区(HAZ)、热力影响区(TMAZ)、焊核区(NZ)和重叠区(OZ)5个区域,其中OZ是Ds–FSW接头所独有的。OZ中存在的超细晶粒和弥散分布的沉淀相Al₈Mn₅,显著提高了此区域的极限抗拉强度(UTS)和断后伸长率(EI),分别为217.7MPa和14.65%,从而使其获得较高的接头强度系数,约为母材的85.81%。接头主要断裂在前进侧NZ和TMAZ交界处,其断裂机制为韧性断裂和准解离断裂的混合断裂机制。     

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。     

焊接参数对FGH96惯性摩擦焊接头组织和高温拉伸性能的影响

固定转动惯量,使用不同的转速和摩擦压力,对FGH96高温合金进行惯性摩擦焊(IFW),分析接头组织和焊核区宽度,研究焊接参数对接头高温拉伸性能的影响。结果表明:接头焊核区(WNZ)为等轴细晶组织,热力影响区(TMAZ)粗、细晶共存,接头焊核区的细晶组织中基本没有γ′强化相;接头高温拉伸性能随转速变化较小,而随摩擦压力的增大而增加,且焊核区宽度随摩擦压力的变化规律与拉伸性能吻合,这与焊接热输入量、材料塑性流动有关;高温拉伸试件均断裂于焊核区,这是由于焊核区γ′强化相完全溶解于基体导致接头强度下降。     

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.     

大厚度TC4-DT钛合金电子束焊接接头微观组织和力学性能研究

对60mm厚TC4-DT钛合金锻件进行电子束焊接。通过对焊接接头显微组织观察,拉伸、冲击、断裂韧性测试,研究了该合金电子束焊接接头的力学性能。结果表明:TC4-DT钛合金具有良好的焊接工艺性能。焊缝为α相网篮组织,该合金电子束焊接接头的拉伸强度与基材相当,但冲击韧性与锻件相比略低。同时,该合金焊接接头也具有良好的损伤容限性能,与锻件相比焊接接头的断裂韧性下降约20%。     

热处理工艺对TA15线性摩擦焊接头组织和力学性能的影响

针对TA15钛合金线性摩擦焊接头,研究了不同热处理工艺对接头组织和力学性能的影响。研究结果表明：热处理过程中,针状亚稳态组织转变为片层α相+保留β相,并且随着热处理温度升高,片层结构逐渐增大。力学性能试验表明,接头拉伸断裂位置均在母材处,热处理后的焊接接头抗拉强度和屈服强度均高于焊态,且疲劳性能和冲击性能得到改善。为保证TA15钛合金线性摩擦焊接头获得较高的综合性能,热处理温度不应高于750℃。     

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.     

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。     

TC4钛合金扩散焊接头的力学性能

在温度为910℃,压力为3.4MPa条件下对TC4钛合金板材进行了扩散焊接,对获得的扩散焊接头取样进行金相观察,仅在接近接头表面材料深度为1mm范围内发现未焊合缺陷,其余部分焊合较好,表明在给定工艺下可获得质量良好的焊接头.随后对TC4扩散焊接头的力学性能进行了试验研究,分别开展了静拉伸试验、断裂韧性试验及焊缝附近区域的纳米压痕试验.试验结果表明,所制得的TC4扩散焊接头屈服强度为887MPa,抗拉强度为948MPa,断裂韧性为101.9MPa·m1/2,均与原材料的性能相差不大.纳米压痕试验的结果显示,接头焊缝区和母材区的显微弹性模量分别为180.2GPa和178.0GPa.      

激光熔化沉积快速成形TC4钛合金的焊接性能

为了探索激光熔化沉积快速成形技术制备TC4钛合金的焊接性能,分别采用电子束焊、激光焊两种方法制备接头试样,并借助金相、硬度试验等方法获得接头力学性能、显微组织及硬度。结果表明:两种焊接方法得到的接头抗拉强度最高达953 MPa,焊接系数均0.9;激光和电子束焊接焊缝为网篮状α'相马氏体组织,热影响区为α相和针状马氏体组织组成。激光熔化沉积快速成形TC4钛合金和传统工艺制造的TC4钛合金在焊接特性方面表现相当。     

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。     

TC11/TC17线性摩擦焊飞边及焊缝微区特征分析

对TC11/TC17异种钛合金线性摩擦焊飞边和接头的组织进行了分析。研究结果表明,焊接飞边组织不是2种钛合金的混合组织而是由TC11钛合金、过渡区和TC17钛合金组成。而线性摩擦焊接头由TC11母材、TC11侧热力影响区、焊合区、TC17侧热力影响区、TC17母材组成,两侧热力影响区组织沿着飞边挤出方向被拉长,而两侧焊合均发生动态再结晶,并在焊合线处形成了共生晶粒。     

钛合金激光焊接研究现状

随着航空工业的发展,钛合金在航空结构中有着越来越广泛的应用。焊接作为重要的连接手段,其制造接头的力学性能决定了构件的使用性能。激光焊接具有高能束焊接方法热输入小、残余应力及变形小的特点,焊接质量高,并且能在开放环境中开展工作,已成为真空电子束焊接外另一种优秀的钛合金焊接方法,是近年研究的热点。总结了近期钛合金激光焊接的一些研究工作,重点介绍了关于激光焊接钛合金组织性能调控方面的成果,并讨论了钛合金激光焊所存在的问题,具体内容包括：激光类型和扫描方式对接头质量的影响、三种典型(α型、α+β型和β型)钛合金激光焊接头组织性能特点、焊后热处理对钛合金激光焊接头组织性能调控方法。为采用激光焊接方法制造高质量钛合金接头研究工作提供参考。     

纯钛搅拌摩擦焊晶粒细化机制

通过搅拌摩擦焊实现了5 mm纯钛的可靠连接,并对焊接接头组织进行了细致研究。通过光学、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对纯钛搅拌摩擦焊组织进行了精细表征,对焊接过程中的再结晶机制进行了研究。结果表明：采用搅拌摩擦焊可以得到成型良好,组织致密的焊缝;焊缝组织可以分为焊核区( NZ)、热机影响区( TMAZ)、热影响区( HAZ)和母材区( BM);根据各区组织形态和结构特点对纯钛搅拌摩擦焊动态再结晶过程进行了分析,揭示了纯钛搅拌摩擦焊焊缝细化机制;钛的层错能较大,搅拌摩擦产生的位错不能完全分解,遇到阻碍时,只能通过滑移和攀移继续运动,在多次搅拌摩擦作用下,位错缠结堆积,位错密度不断上升,产生新的晶界,从而形成细小晶粒,实现晶粒细化。     

BT20钛合金激光焊技术研究

针对2.5 mm厚BT20钛合金进行了CO2激光焊和YAG激光焊研究,结果表明由于激光特性不同,形成的焊缝几何特征不同,当焊接工艺适当,可保证焊接过程的稳定性和焊接接头的质量.在激光自熔焊时主要的焊缝缺陷是咬边,这是由于钛合金物理性能和激光高能束流焊特性所致.这种咬边缺陷不利于焊接接头性能,尤其是接头的疲劳性能和断裂韧性.采用活性剂和填丝焊,以及激光旋扫焊可以改善焊缝咬边缺陷,提高钛合金激光焊接头的力学性能.     

基于损伤容限设计的钛合金层合接头制造

钛合金层合结构因具有较高的损伤容限而获得重视,并成为超塑成形/扩散连接技术应用的一个新方向。本文提出一种含圆形扩散止焊区的层合板结构,通过与原始板材的疲劳裂纹萌生和扩展寿命相对比,结果表明含止焊区的层合板能改善钛合金的裂纹扩展特性,并以此为基础设计并制造了含止焊区的钛合金层合接头,验证了采用现有扩散连接工艺技术制造钛合金层合接头的工艺可行性,其微观组织和各项性能等基本能满足对一般钛合金的设计使用要求。该研究成果为高损伤容限性能钛合金扩散连接层合结构在机翼梁、框等异型截面构件上的应用奠定了技术基础。     

活性焊剂和热处理对TC17钛合金TIG焊接头组织和性能的影响分析

为了探明焊后热处理过程和焊前涂覆活性剂对TC17钛合金TIG焊接接头性能的影响,对不同状态的焊接接头进行了拉伸试验和硬度测试,并采用光学显微镜和扫描电镜观察焊接接头组织和拉伸断口形貌。结果表明,焊前涂覆活性剂可以有效防止焊缝出现气孔缺陷,降低焊接热输入,减少热影响区晶粒粗化倾向,同时减少焊接热影响区晶粒在宽度方向的不均匀性。焊后热处理使焊接接头Sn、Zr等元素扩散均匀,接头组织得到显著强化。对TC17板材,焊前涂覆活性剂,并且进行焊后热处理,可以获得良好的接头组织和性能。