Ti-24Al-15Nb合金激光焊接头微观组织及力学性能的研究

发布时间：2020-06-13 21:13

【摘要】：Ti-24Al-15Nb(at.%)合金具有高比强度以及较好的抗氧化、抗蠕变等性能特点,使其成为新型航空发动机的首选材料之一,在航空航天等高技术领域具有广阔的应用前景。随之而来的Ti-24Al-15Nb合金的焊(连)接成为亟待解决的问题。激光焊接具有能量密度高、热输入小、灵活性好等优点。因此,开展Ti-24Al-15Nb合金激光焊接头微观组织及力学性能的研究,具有重要的理论意义和实用价值。本文采用脉冲激光焊接技术对Ti-24Al-15Nb合金进行焊接,主要研究了激光焊接头的组织及性能特点,以及Nb填充金属、焊接工艺参数和焊后热处理对接头微观组织及力学性能的影响规律。研究结果表明,焊态下激光焊接头的焊缝金属具有联生结晶的特征,柱状晶垂直于熔合线生长,由于成分过冷度变大,在焊缝中部形成等轴晶。Al元素具有较高的蒸气压、较低的沸点,随着激光功率的增大,Al元素发生气化,在焊缝中易产生气孔。采用X射线衍射和透射电镜分析技术研究焊缝的相组成。结果表明,当激光功率较小时,焊缝是由单一的B2相构成,而激光功率较大时,焊缝主要由B2相和针状的α,_2马氏体组成。根据热影响区生成相的种类的差异,可将热影响区分为两个区:HAZ1(α_2+B2)和HAZ2(α_2+O+B2)。焊缝区的显微硬度最大,热影响区次之,母材最小。在拉伸应力的作用下,接头的断裂均发生在焊缝区,力学性能较差,抗拉强度和延伸率分别为330MPa和1.9%。Nb填充金属对焊缝金属的微观组织及力学性能具有明显的影响。研究表明焊缝主要由(Nb,Ti)固溶体、B2相和O相组成。与不加填充金属的焊缝相比,由于焊缝中没有生成硬脆的针状α,_2马氏体,焊缝的显微硬度明显降低。焊接接头的抗拉强度和延伸率明显提高,分别达到724MPa和5.1%。与不加填充金属的接头相比,分别增加了119.4%和168.4%。这主要归因于O相析出产生的强化作用,以及O相和B2相之间的变形协调性。同时,Nb元素还抑制了焊缝中硬脆的针状α,_2马氏体以及气孔的形成,也有助于改善焊接接头的力学性能。采用正交试验方法研究焊接工艺参数对焊接接头力学性能的影响。结果表明,激光焊接工艺参数对焊接接头抗拉强度、延伸率影响的主次顺序依次为:脉冲频率、脉冲电流、焊接速度、脉冲宽度。在试验参数范围内,优化的焊接工艺参数为:脉冲电流68A、焊接速度200mm/min、脉冲频率6HZ、脉冲宽度8ms。在优化焊接参数条件下,激光焊接头的抗拉强度和延伸率分别达到520MPa、4.57%,接头的力学性能得到明显改善。焊后热处理对焊接接头的微观组织和力学性能产生了明显的影响。焊缝均由O+B2相组成,随着焊后热处理温度从850℃升高到1000℃,O相析出的量逐渐减少,尺寸逐渐增大。焊后热处理温度为950℃时,随着保温时间的增加,O相的数量逐渐增多,尺寸逐渐增大。在焊后热处理的作用下,热影响区中有一些细针状的O相从B2相基体中析出,α_2相逐渐分解。由于O相析出的硬化作用,使焊接接头的显微硬度提高。焊后热处理也明显改善了焊接接头的拉伸性能。当焊后热处理温度为950℃、保温1h时,焊接接头的抗拉强度、延伸率分别为625MPa、5.8%。结果表明,只有当O相和B2相的数量和尺寸具有合适的配比时,焊接接头才能获得优异的力学性能。基于本文的研究结果,Nb填充金属、优化焊接工艺参数、焊后热处理均可以改善Ti-24Al-15Nb合金激光焊接头的微观组织和力学性能,其中加Nb填充金属更有利于改善接头的力学性能。
【图文】：

图 1.1 在不同热处理温度下的 Ti-22Al-27Nb 合金相比例和相成分（a）合金的相比例；（b）α2相成分；（c）O 相成分；（d）B2 相成分Fig. 1.1 Comparisonand phase compositionofTi-22Al-27Nballoyatdifferentheattreatmenttemperatures(a)the proportionofphases;(b)the compositionof α2phase;

图 1.2 Ti-22Al-25Nb 合金的TTT 曲线Fig.1.2 TTT curve ofTi-22Al-25Nballoy美国的 Cowen 等人[57]研究了 O 相合金的显微组织转变过程。研究2AlNb 基合金中的 B2 相相变温度随着合金中 Nb 含量的减少略微升
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263

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1 武卫莉;陈U，

本文编号：2711751