钛合金线性摩擦焊组织与性能分析

钛合金线性摩擦焊组织与性能分析 焊后热处理对TC4钛合金线性摩擦焊接头 组织和性能的影响 季亚娟 张田仓 李晓红 (中航工业北京航空制造研究所，北京100024) 摘 要:在前期焊接试验参数优化基础上，通过自行研制的线性摩擦焊机焊接了两组TC4钛合金试件，其中对一组试件焊后在630?下进行了三小时热处理，然后对焊态和热处理态组织和力学性能进行了对比分析. 结果明，焊态条件下接头组织更为细小;热处理态接头组织中析出了次生α相，且晶粒发生球化长大现象，接头组织更加均匀.对两种接头在室温和400?条件进行拉伸试验，接头拉伸断裂位置均在母材处，且室温拉伸条件下热处理接头的抗拉强度和屈服强度均较焊态下要高，高温拉伸条件下两种接头拉伸性能相差不大. 400?、570Mpa条件下两种接头的持久时间均超过100小时. 关键词:线性摩擦焊;钛合金;组织;性能 中图分类号:TG453 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2010)02-0000-00 行焊接试验，线性摩擦焊原理如图1所示。0 序言 焊前用丙酮擦拭待焊表面，焊后沿着垂直于 焊接面方向截取金相试样以及拉伸和持久 TC4(Ti-6Al-4V)钛合金是由美国于1954性能试样，并将部分试样进行焊后热处理. 年研制成功的Ti-Al-V系α-β型钛合金，具对金相试样研磨抛光，并用浸蚀液为1:2:有优异的综合性能和良好的工艺特性，其室:HO溶液腐蚀后进行金相观17的HF:HNO32 温和高温强度较好，最高工作温度可达察. 400?。现在其在航空航天工业得了广泛的 [1]推广应用. 近年来，随着各国对高性能战机的迫切 需求，对在航空发动机叶盘中广泛使用的钛 合金的成型工艺提出了新的挑战，世界上很 多发达国家对此开展了大量的试验研究，其 中线性摩擦焊就是其新研制出来的一种先 进的固相连接工艺，凭借其可靠性、灵活性 图1 线性摩擦焊原理示意图 等诸多优点，现已有国家成功将其用在整体 [2-4]Fig.1 The schematic diagram of LFW 叶盘的生产制造中。而我国线性摩擦焊 工作还处于初期探索阶段，因此深入开展的焊后接头的拉伸测试按照钛合金线性摩擦焊工艺研究已引起国家相GB/T228-2002标准进行测试，持久性能按 [5]关部门的重视.本文针对钛合金线性摩擦焊照GB/T2039-1997标准进行. 焊后热处理对接头组织性能的影响进行了 深入的讨论. 2 试验结果分析 1 焊接试验 2.1焊接接头外观形貌 图2为利用两组优化工艺参数进行施焊 试验为TC4双相钛合金，其化学的试样宏观形貌，从图中可以看出，在焊缝成分如表1所示.试样尺寸为L:130 mm，结合面四周形成了明显的飞边，且试件振动W:20 mm，H:100 mm，焊接面面积为2000 方向的飞边要比非振动侧长.飞边切割后的2mm.在前期大量试验基础上，选取最优的宏观形貌如图3所示，可以发现飞边氧化现工艺参数，在自行研制的线性摩擦焊机上进象明显，根据前期试验分析，其氧化后的颜 色与钛合金中所含成分变化差异很大，且飞金属从中心被挤向试件边缘，致使边缘处变边呈现波纹状的纹理，这是由于试件在焊接形金属在越靠近边缘处残留越多，因此接头过程中受压的往复运动形成的. 两侧形成了明显的外八字形状. 2.2.2 接头微观组织 TC4母材的显微组织如图5所示，片层 状(α+β)基体上分布着等轴状的α(初 生相)，且α相的比例超过50%，热处理后 母材显微组织如图6所示，初生α相发生长 大现象，其比例超过70%，片层状的α，β 组织少. 图2 TC4钛合金线性摩擦接头宏观形貌 图7为焊态下热机械影响区微观组织Fig.2 The macrography of TC4 LFW joint (TMAZ)，该组织中的α相和β相晶粒均 被不同程度的拉长，变形严重，且再该区没 有发现再结晶现象，这表明TMAZ的温度 并未超过β转变温度(995 ?).接头热处理 后热机械影响区组织如图8所示，α相和β 相发生了再结晶现象，变形程度减小，热处 理过程中有α相析出导致α相体积分数有S 所增加. 图3 接头飞边形貌 Fig.3 The flash of TC4 LFW joint 2.2 TC4钛合金线性摩擦焊接头焊态和焊后 热处理态的组织分析 2.2.1 接头宏观组织 20μm 图4(a)(b)分别为焊态和热处理态的 图5 焊态下TC4母材微观组织 TC4线性摩擦焊接头宏观形貌。 从图中可 Fig.5 Microstructure of as-welded 以看到接头每侧分均分为三个明显区域:母 TC4 base metal 材区(BM)、热机影响区(TMAZ)、焊缝 (W)区，且热处理不能改变接头中各区域 的宽度.焊缝呈明显的外八字形，中间窄而边 缘宽，这是由于在焊接过程的摩擦力及焊后 施加的顶锻力，使摩擦过程中产生的粘塑性 A1 A2 B2 B1 C2 20μm C1 图6 热处理后TC4母材微观组织 Fig.6 Microstructure of heat treated a)焊态 b)焊后热处理态 TC4 base metal 图4 焊态的TC4线性摩擦焊接头宏观形貌 Fig.4 Macrostructure of TC4 as-weld joints 20μm 20μm 图10 TC4热处理后焊缝微观组织 图7 焊态TC4热机影响区 Fig.10 Microstructure of heat treated Fig.7 Microstructure of as-welded TC4 TMAZ TC4 weld 2.3焊接接头力学性能分析 2.3.1 拉伸性能 焊后接头拉伸试样的加工方法如图11 所示，并在室温和400 ?下分别对焊态和热 20μm 处理态进行拉伸性能测试，拉伸后试验宏观 形貌如图12所示，可以发现试样断裂位置图8 热处理后TC4热机影响区 均在母材侧，试样拉伸性能数据结果如表2Fig.8 Microstructure of heat treated TC4 所示.从表2中可以看出，在室温拉伸条件TMAZ 下，焊后热处理后的线性摩擦焊焊接接头其 抗拉强度、屈服强度、延伸率均比焊态的焊2.2.4焊缝区 接接头的高，但是断面收缩率稍有下降，说 焊态下TC4焊缝微观组织如图9所示，明热处理后焊接接头显微组织更加均匀化，由细小的层片状α相和晶间β转变组织组而且热处理也消除了接头中的残余应力，对成，并且初生β晶粒的晶界已不明显，说明提高拉伸性能有一定影响.从焊态和热处理在焊接过程中摩擦界面温度已经超过了钛态接头在400?的高温拉伸测试结果分析发合金的β转变温度(995?).在摩擦焊大的现，热处理后的接头性能较焊态的有一定提应力和变形条件下，β晶粒发生动态再结高，但是提高的幅度不大，说明两种条件下晶，从而导致原始β晶粒细化，而在摩擦结的接头组织对400?下试样的拉伸性能影响束后的快速冷却过程中，β相转变为片层的不明显. α和β相，动态再结晶的β晶粒尺寸限制了 片层状α的生长尺寸，导致焊缝组织为细短 的片层α+β组织.热处理后焊缝组织如图 10所示，焊缝的α相体积分数明显增加，次 生的α相(α相)析出明显，且组织发生S 球化现象. 图11 拉伸试样尺寸图 Fig.11 The size of the tensile test sample 20μm 图9 焊态下TC4焊缝微观组织 Fig.9 Microstructure of as-welded weld 向被不同程度的拉长，经过630?3小时热 处理后并没有发生明显的变化，焊缝区组织 细小，有再结晶现象，热处理的焊缝组织α 相增多，且组织发生均匀球化现象. (2) 两种接头拉伸断裂位置均位于母材 焊态 热处理 处.经过630?3小时焊后热处理的焊接接头 图12 拉伸后试样的宏观形貌 在室温拉伸条件下其抗拉强度、屈服强度、Fig.12 The macrograph after tensile test 断后伸长率较焊态有要提高，但在400?高 温拉伸条件下提高幅度不大，说明该热处理 条件对母材组织影响不明显.两种拉伸条件2.3.2 持久性能 下的断面收缩率变化不大. 接头持久性能试样加工方法如图13所 (3)两种接头在试验温度400?，试验示，试验温度为400?，试验载荷为 载荷为570MPa的持久时间均超过100h.. 570MPa，其中焊态试样3件、焊后热处理 态试样3件.持久性能的测试结果见表3， 从表中可以看出，焊后接头的持久时间均 参考文献: 超过102小时而未发生断裂，试样后试样 的宏观形貌如图14所示，说明线性摩擦焊[1] 黄伯云，李成功，石力开，等.中国材料工程大接头可靠性高. 典[M].北京:化学工业出版社，2006，1 [2] 陈光.一种整体叶盘的加工方法??线性摩擦 焊[J].航空工程与维修, 1999(4): 14-15. [3] A.Vairis, M.Frost. Modeling the linear friction welding of titanium blocks[J].Materials science and Engineering[J]. 2000, 28A(2):8-17 [4] P.Wanjara,M.Jahazi.Linear friction welding of Ti6Al4V:Processing,Microstructure,and 图13 持久试样尺寸图 Mechanical-Property Inter-relationships[J].Metallurgical and Materials Fig.13 The size of the Endurance test sample Transactions. 2005,36A, 8: 2149-2164 [5] 《中国航空材料》编辑委员会. 中国航空 材料手册[M]. 北京:中国标准出版社, 2002. 作者简介:季亚娟，女，1979年出生，硕士，工程师. 从事搅拌摩擦焊、线性摩擦焊工艺开发.发表论文近10篇. Email:jyj_moon@163.com 图14持久试验后试样宏观形貌 Fig.14 The macrograph after endurance test 3结 论 (1) 线性摩擦焊接头分为母材、热机影 响区和焊缝区，热机械影响区组织沿振动方 焊后热处理对TC4钛合金线性摩擦焊接头 组织和性能的影响 季亚娟 张田仓 李晓红 (中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024) 摘 要:在前期焊接试验参数优化基础上，通过自行研制的线性摩擦焊机焊接了两组TC4钛合金试件，其 中对一组试件焊后在630?下进行了3小时热处理，然后对焊态和热处理态组织和力学性能进行了对比分 析. 结果表明，焊态条件下接头组织更为细小;热处理态接头组织中析出了次生α相，且晶粒发生球化长 大现象，接头组织更加均匀.对两种接头在室温和400?条件进行拉伸试验，接头拉伸断裂位置均在母材处， 且室温拉伸条件下热处理接头的抗拉强度和屈服强度均较焊态下要高，高温拉伸条件下两种接头拉伸性能 相差不大. 400?、570Mpa条件下两种接头的持久时间均超过100小时. 关键词:线性摩擦焊;钛合金;组织;性能 中图分类号:TG453 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2010)02-0000-00 The Effect of Postweld Heat Treatment to the Microstucture and Mechanical Property of TC4 Linear Friction Welding Joint Ji Yajuan，Zhang Tiancang～ Li Xiaohong (AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024，China) Abstract: On the basis of previous welding experiments,two TC4 specimens were welded on the linear friction welding machine which was developed self-research. After postwelding,one specimen was heat treated for three hours in 630?.Then the microstructure and mechanical porperty was analysised，the results show that the microstructure of as-welded joint is more refine.The secondary α pahse was precipitated in the heat-treated structure,the grains spheroidized and coarsened and the microstructure of the joint is homogeneous.The two kinds of joints’ tensile test were done under room-temperature and 400?，the fracture position were all in the base metal and the joints under the room temperature tensile and yield strength had a little increase compared to the as-welded joints,but the tensile and yield strength at 400? had no difference.Under the condition of 400?, 570Mpa, the endurance strength of as-welded joints and postweld heat treament joints all exceeded 100h. Linear friction welding , Titanium，Microstruture ,Mechanical property Key words: