Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头组织与力学性能研究
发布时间：2022-01-02 05:52
采用惯性摩擦焊方法对TC17和Ti600钛合金进行了连接,着重分析接头焊态和热处理条件下的组织特征与力学性能。接头焊态TC17一侧:在热力影响区原始β晶粒发生破碎,晶界以及晶内α相扭曲变形;在再结晶区β晶粒发生动态再结晶形成细小的等轴晶粒,晶内为亚稳态的β相;接头Ti600一侧:在热力影响区片层组织随着金属流动发生变形;在再结晶区,α片层团簇发生再结晶形成大量细小的α片层团簇片层。经过热处理后,TC17钛合金一侧亚稳态β相析出细小的层片状α相,Ti600钛合金一侧层状α相长大,但是不明显。热处理使接头的显微硬度升高,TC17钛合金焊缝一侧显微硬度增加明显。接头抗拉强度与Ti600母材相当,断裂发生在Ti600钛合金一侧,断口为典型的杯锥状断口。
【文章来源】：机械工程学报. 2017,53(22)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
母材显微组织
?却??时间3h，冷却方式为炉冷。焊缝显微组织在北京航空制造工程研究所Zeiss场发射扫描电子显微镜上观察。用于显微硬度测量的试样，经过镶嵌、磨光、抛光和腐蚀等工序。显微硬度在HXD-1000显微硬度仪上完成，分别测试焊态及焊后热处理接头的显微硬度，载荷1.96N，时间15s。按距离焊缝中心的远近在接头的TC17母材，TC17热影响区，TC17再结晶区，熔合区，Ti600再结晶区，Ti600热影响区，Ti600母材选择硬度点，每个区域至少选择5个点测试显微硬度，点与点的间距大于0.2mm。拉伸试样按HB5143-96标准制备，试样尺寸如图2所示，测试接头室温拉伸和高温400℃拉伸性能，焊缝中心线位于拉伸试样中心，每组焊接试件各取3个。图2拉伸试样尺寸2试验结果惯性摩擦焊金属飞边主要在稳定摩擦阶段挤出形成的。焊接挤出的飞边是分开的，朝两侧卷曲如图3a所示，Ti600挤出的金属要比TC17一侧多。对Ti600/TC17惯性摩擦焊接头区域进行了划分，自左到右分别为：Ti600母材区(Basemental，BM)、Ti600热力影响区(Thermo-mechanicalaffectzone,TMAZ)、Ti600再结晶区(Recrystallzationzone，RZ)、连接界面(Interface，IF)，TC17再结晶区、TC17热力影响区、TC17母材区如图3b所示。2.1Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头组织特征Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头焊缝的宽度约为3mm，Ti600和TC17钛合金焊接过程中金属流动呈相反方向。在惯性摩擦焊接过程中，通过试样高速旋转在接触面产生热量，并向两侧金属传递，在试样上形成温度梯度，焊接界面处的温度较高，母材一侧温度较低，由于产热集中在界面处，并且能量密度较高，形成的温度梯度较大，导致焊缝结合面到母材的显微组织变化明显。TC17钛合金一侧从母材至焊缝结合面：靠近母材处，β晶粒沿金属
如图4a和4b所示。在Ti600钛合金一侧从母材至焊缝结合面：Ti600钛合金原始组织由初生α相和少量分布在α相间的β相组成，相界清晰。在焊接过程中，片层组织沿着金属流动的方向被拉长，如图4c所示，随着向结合面的靠近变形的片层组织的长宽比增加，但α相的数量减少，β相和α2相增加，并且也沿着金属流动的方向呈细流线状，在靠近结合面处，Ti600钛合金的组织全部为β相和α2相，并且形成大量的尺寸约为20μm的细小晶粒。在结合面处，存在许多细小的晶粒以及大量的针状组织，针状组织垂直于结合界面生长。图3Ti600/TC17惯性摩擦焊接头经650℃热处理后，在TC17钛合金一侧，热力影响区内亚稳态的β相分解形成大量的α相，残余α2相也分解为α相，向结合面靠近，分解形成的α相适量增多，如图5a和5b所所示，β晶粒内也形成大量细小的α相。在Ti600钛合金一侧，在热力影响区，如图5c所示，α相长大，并且在α相相界间生成弥散分布的析出物。在靠近结合区域，亚稳态β相和α2相分解形成稳定的α相。在接触面区域析出的针状α相发生长大，但晶粒内部组织不均匀，靠近TC17钛合金一侧尺寸较校图4焊态Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头显微组织2.2Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头力学性能与断口形貌Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头显微硬度分布曲线，如图6所示。在焊态下，焊合区TC17钛合金一侧的硬度值比界面处和TC17钛合金母材要低，呈U形，而Ti600钛合金侧显微硬度值随着向界面处靠近硬度值升高到界面处达到最大。在经过热处理后接头的显微硬度整体升高，TC17钛合金一侧的硬度值急剧明显，显著高于母材，Ti600钛合金一侧经过热处理后显微硬度升高不明显。
【参考文献】：
期刊论文
[1]先进材料在战斗机发动机上的应用与研究趋势[J]. 梁春华,李晓欣. 航空材料学报. 2012(06)
[2]无螺栓高压压气机转子结构分析[J]. 杨帆,赵普扬,葛长闯. 航空发动机. 2012(03)
[3]高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J]. 黄旭,李臻熙,黄浩. 中国材料进展. 2011(06)
[4]关于钛合金热处理和析出相的讨论[J]. 辛社伟,赵永庆. 金属热处理. 2006(09)
[5]Ti600合金的高温本构方程[J]. 戚运连,曾卫东,赵永庆. 热加工工艺(铸锻版). 2006(05)
[6]航空发动机用600℃高温钛合金的研究与发展[J]. 蔡建明,李臻熙,马济民,黄旭,曹春晓. 材料导报. 2005(01)
[7]整体压气机转子结构优化设计[J]. 雷先华,江和甫,王旅生. 航空动力学报. 1997(01)
[8]Ti─17合金高温变形机理研究[J]. 曾卫东,胡鲜红,俞汉清,周义刚. 材料工程. 1996(09)
本文编号：3563607
【文章来源】：机械工程学报. 2017,53(22)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
母材显微组织
?却??时间3h，冷却方式为炉冷。焊缝显微组织在北京航空制造工程研究所Zeiss场发射扫描电子显微镜上观察。用于显微硬度测量的试样，经过镶嵌、磨光、抛光和腐蚀等工序。显微硬度在HXD-1000显微硬度仪上完成，分别测试焊态及焊后热处理接头的显微硬度，载荷1.96N，时间15s。按距离焊缝中心的远近在接头的TC17母材，TC17热影响区，TC17再结晶区，熔合区，Ti600再结晶区，Ti600热影响区，Ti600母材选择硬度点，每个区域至少选择5个点测试显微硬度，点与点的间距大于0.2mm。拉伸试样按HB5143-96标准制备，试样尺寸如图2所示，测试接头室温拉伸和高温400℃拉伸性能，焊缝中心线位于拉伸试样中心，每组焊接试件各取3个。图2拉伸试样尺寸2试验结果惯性摩擦焊金属飞边主要在稳定摩擦阶段挤出形成的。焊接挤出的飞边是分开的，朝两侧卷曲如图3a所示，Ti600挤出的金属要比TC17一侧多。对Ti600/TC17惯性摩擦焊接头区域进行了划分，自左到右分别为：Ti600母材区(Basemental，BM)、Ti600热力影响区(Thermo-mechanicalaffectzone,TMAZ)、Ti600再结晶区(Recrystallzationzone，RZ)、连接界面(Interface，IF)，TC17再结晶区、TC17热力影响区、TC17母材区如图3b所示。2.1Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头组织特征Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头焊缝的宽度约为3mm，Ti600和TC17钛合金焊接过程中金属流动呈相反方向。在惯性摩擦焊接过程中，通过试样高速旋转在接触面产生热量，并向两侧金属传递，在试样上形成温度梯度，焊接界面处的温度较高，母材一侧温度较低，由于产热集中在界面处，并且能量密度较高，形成的温度梯度较大，导致焊缝结合面到母材的显微组织变化明显。TC17钛合金一侧从母材至焊缝结合面：靠近母材处，β晶粒沿金属
如图4a和4b所示。在Ti600钛合金一侧从母材至焊缝结合面：Ti600钛合金原始组织由初生α相和少量分布在α相间的β相组成，相界清晰。在焊接过程中，片层组织沿着金属流动的方向被拉长，如图4c所示，随着向结合面的靠近变形的片层组织的长宽比增加，但α相的数量减少，β相和α2相增加，并且也沿着金属流动的方向呈细流线状，在靠近结合面处，Ti600钛合金的组织全部为β相和α2相，并且形成大量的尺寸约为20μm的细小晶粒。在结合面处，存在许多细小的晶粒以及大量的针状组织，针状组织垂直于结合界面生长。图3Ti600/TC17惯性摩擦焊接头经650℃热处理后，在TC17钛合金一侧，热力影响区内亚稳态的β相分解形成大量的α相，残余α2相也分解为α相，向结合面靠近，分解形成的α相适量增多，如图5a和5b所所示，β晶粒内也形成大量细小的α相。在Ti600钛合金一侧，在热力影响区，如图5c所示，α相长大，并且在α相相界间生成弥散分布的析出物。在靠近结合区域，亚稳态β相和α2相分解形成稳定的α相。在接触面区域析出的针状α相发生长大，但晶粒内部组织不均匀，靠近TC17钛合金一侧尺寸较校图4焊态Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头显微组织2.2Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头力学性能与断口形貌Ti600/TC17钛合金惯性摩擦焊接头显微硬度分布曲线，如图6所示。在焊态下，焊合区TC17钛合金一侧的硬度值比界面处和TC17钛合金母材要低，呈U形，而Ti600钛合金侧显微硬度值随着向界面处靠近硬度值升高到界面处达到最大。在经过热处理后接头的显微硬度整体升高，TC17钛合金一侧的硬度值急剧明显，显著高于母材，Ti600钛合金一侧经过热处理后显微硬度升高不明显。
【参考文献】：
期刊论文
[1]先进材料在战斗机发动机上的应用与研究趋势[J]. 梁春华,李晓欣. 航空材料学报. 2012(06)
[2]无螺栓高压压气机转子结构分析[J]. 杨帆,赵普扬,葛长闯. 航空发动机. 2012(03)
[3]高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J]. 黄旭,李臻熙,黄浩. 中国材料进展. 2011(06)
[4]关于钛合金热处理和析出相的讨论[J]. 辛社伟,赵永庆. 金属热处理. 2006(09)
[5]Ti600合金的高温本构方程[J]. 戚运连,曾卫东,赵永庆. 热加工工艺(铸锻版). 2006(05)
[6]航空发动机用600℃高温钛合金的研究与发展[J]. 蔡建明,李臻熙,马济民,黄旭,曹春晓. 材料导报. 2005(01)
[7]整体压气机转子结构优化设计[J]. 雷先华,江和甫,王旅生. 航空动力学报. 1997(01)
[8]Ti─17合金高温变形机理研究[J]. 曾卫东,胡鲜红,俞汉清,周义刚. 材料工程. 1996(09)
本文编号：3563607
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