TA15钛合金激光焊接管材热气胀变形行为与微观机理

发布时间：2018-04-04 10:22

本文选题：TA15钛合金　切入点：激光焊接　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文

【摘要】：TA15钛合金是一种国产牌号近α钛合金,名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V,它不仅具有高的比强度、耐腐蚀性、中等的高温强度,而且具有良好的焊接性能及机加工性能,结构效益十分显著,因此在我国航空航天及船舶等领域得到了广泛的应用。近些年来,为了进一步提高飞机、火箭、船舶等的综合使用性能,钛合金管材在液压管路系统中得到越来越多的关注。然而目前使用的多数钛合金管材制品多为纯钛或者低强度钛合金管件,中高强钛合金管件的成形依然是一个难题,尤其是焊接管材,焊缝对管材热气胀成形性能的影响机制依然不是很清晰。因此为了给中高强钛合金焊接管件成形提供理论指导,本文对TA15钛合金激光焊接管材的热气胀变形行为及微观机理开展了系统的研究。首先在温度范围650℃～800℃、应变速率范围0.001 S-1~0.1 S-1条件下分别对原始材料和再结晶退火后材料进行了热拉伸测试,并对两种状态的材料在不同变形条件下的组织演化机理进行了系统分析。结果表明:当再结晶退火后TA15钛合金在动态回复(DRV)条件下变形时,材料流动应力在达到峰值应力之后维持近似恒定。变形过程中,主要涉及晶粒的旋转、变形及位错的相互作用。当再结晶退火后TA15钛合金处于动态再结晶(DRX)条件下变形时,材料流动应力在达到峰值应力之后迅速下降,并逐渐趋于恒定,材料的再结晶机制主要为非连续动态再结晶(DDRX),即传统的形核长大机制。原始材料在800℃、0.001 S-1条件下变形时,主要变形机理为DRX推动下的晶界滑移机制(GBS),该机制有利于提升材料的变形能力。为了探究TA15钛合金激光焊接接头的热变形行为及机制,对焊接接头进行了高温拉伸测试、组织演变分析及热处理工艺研究。结果表明,焊缝的强度高于母材,横向焊缝试样高温变形时,试样整体可以承受大变形而保持接头不破裂,但是焊接接头变形量要小于母材,均匀性较差;纵向焊缝在温度较高、应变速率较低时具有良好的变形能力,当应变速率为0.001 S-1时,焊缝的延伸率在800℃～900℃温度范围内均超过100%;焊缝在高温变形时的主要机理为片层球化。变形初期在动态回复的作用下片层内部形成亚晶,亚晶在连续再结晶的作用下逐渐转变为细小再结晶晶粒;变形中后期随着等轴晶粒数量的增加连续再结晶作用逐渐减弱,非连续再结晶作用逐渐增强;同时整个过程中应变诱发的α→β的转变也促进了球化的完成。热处理工艺研究表明:950℃双重退火后母材内部析出次生α相,提高了母材强度,从而降低母材和焊缝的强度差异。基于母材和焊缝的热变形行为及机理的研究结果,开展了TA15钛合金激光焊管的自由胀形实验。结果表明:在800℃、10 MPa恒定压力下胀形时,TA15钛合金焊管具有良好的胀形性能,胀破时中间最大截面的胀形量达到73.9%。胀形过程中焊缝变形量较小,对焊管的胀形存在一定的约束作用,但是在塑性失稳发生之前,仍然可以获得一个相对均匀的变形过程。在胀形初期,焊缝附近的母材具有较大的等效应力值,焊缝附近母材发生减薄;随着胀形量的增加,焊缝对面180°母材处的等效应力值增加速度较快,在变形后期焊缝对面180°母材处减薄相对严重。破裂多发生在焊缝附近母材处或者焊缝对面180°母材处。胀形过程中温度、胀形压力和初始组织状态都对TA15钛合金激光焊管胀形性能有很大的影响,胀形压力较低和温度较高时,焊管胀形性能较好;相同条件下,原始管材胀形性能最好,原始管材初始组织内部位错密度很高,胀形初期发生了大量的DRX,DRX对晶粒的细化提升了管材胀形能力,其变形机理主要为DRX推动下的GBS。再结晶退火后管材胀形过程中主要发生晶粒变形和DRX,胀形中后期由于材料内部位错密度升高,材料变形应变速率增大,均匀变形能力下降,引起局部颈缩和破裂,胀形能力最差。对于双重退火后管材,胀形时焊缝中片层α发生了部分球化;母材在胀形过程中,次生α先发生球化变形,初生α发生晶粒变形和DRX,变形结束后材料内部位错密度较高,晶粒得到显著细化。双重退火后焊缝和母材的变形协调性得到一定的提升,和原始管材相比,当焊缝胀形高度均为8 mm时,双重退火后焊缝和母材的胀形高度差异下降了24.6%。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG456.6

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