TC4钛合金线性摩擦焊接头组织及性能研究

作者:张学军;马铁军;李能;刘文慧 刊名:钛工业进展 上传者:张海成

【摘要】采用XMH-160型线性摩擦焊机焊接TC4钛合金板材,观察了焊接接头形貌及焊缝组织,测试了焊接接头的力学性能。结果表明,TC4钛合金适于采用线性摩擦焊接,焊接接头的室温拉伸性能、冲击韧性和高周疲劳性能不低于母材。其线性摩擦焊接头大致可以分为焊缝区和塑性变形区两个区域,焊缝区域原始组织被破碎,晶粒细小;塑性变形区域原始片层组织被压扁拉长,与焊接振动方向呈近平行的流线状。

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第 29 卷2012 年 第 4 期8 月 Vol. 29 August No. 4 2012 TC4 钛合金线性摩擦焊接头组织及性能研究 张学军1,马铁军2,李 能1,刘文慧1 ( 1. 北京航空材料研究院,北京 100095) ( 2. 西北工业大学,西安 710072) 摘 要: 采用 XMH -160 型线性摩擦焊机焊接 TC4 钛合金板材,观察了焊接接头形貌及焊缝组织,测试了焊接接头的力学性能。结果表明,TC4 钛合金适于采用线性摩擦焊接,焊接接头的室温拉伸性能、冲击韧性和高周疲劳性能不低于母材。其线性摩擦焊接头大致可以分为焊缝区和塑性变形区两个区域,焊缝区域原始组织被破碎,晶粒细小; 塑性变形区域原始片层组织被压扁拉长,与焊接振动方向呈近平行的流线状。 关键词: 钛合金; 线性摩擦焊; 组织; 力学性能 收稿日期: 2012 -04 -20 作者简介: 张学军( 1969—) ,男,高级工程师。 1 前 言 线性摩擦焊是将两个待焊件表面相互接触并加以一定的压力,同时使两接触面以一定频率和振幅呈直线往复运动产生摩擦热实现焊接。线性摩擦焊基本过程是: 一个工件被夹具固定,另一个构件与之相对呈直线往复运动,在轴向送进机构推动下,使两个待焊表面接触并相互摩擦。随着摩擦运动和轴向送进,摩擦表面产生摩擦热,表面金属逐渐达到粘塑性状态,在轴向压力作用下产生变形并被挤出,最后停止往复运动并施加顶锻力,完 成焊接[1 -3]。 线性摩擦焊作为一种新型固相连接技术,具有一系列独特的优点。它可以焊接通常熔焊方法难以焊接的铝合金、钛合金,以及异种合金的焊接,特别是在非轴对称的摩擦焊中拥有巨大的潜力,广泛应用于汽车和航空航天领域[4 -6]。在航空领域的主要应用方向之一是用作整体叶盘的制造和修复,与传统机械加工相比采用线性摩擦焊制造整体风扇叶盘可节约 88% 的金属材料,从而节约大量的钛合金,采用线性摩擦焊还可以对损坏的整体叶盘单个叶片进行修复,降低发动机修理成本[1,7 -8]。此外,线性摩擦焊能实现异种难焊金属的焊接,是制造双合金双性能压气机整体叶盘、涡轮整体叶盘的重要方法。目前美国、英国、德国一些发动机公司,线性摩擦焊技术已经成熟,采用线性摩擦焊制造的钛 合金整体叶盘已经在航空发动机上得到应用[1,8]。我国线性摩擦焊技术研究起步较晚,目前的研究主要集中在线性摩擦焊相关的工艺、接头组织、接头性能等方面,其中对接头性能的研究主要集中在室温拉伸性能[9 -15],在焊接规范合适的情况下,也陆续开展了对线性摩擦焊的焊接缺陷及其形成机理的研究[16 -17]。本研究考察了 TC4 钛合金线性摩擦焊接头组织和性能,包括焊接接头的室温拉伸性能、冲击性能以及疲劳性能,获得了力学性能与基体性能良好匹配的焊接接头,为采用线性摩擦焊方法制造 TC4 钛合金整体叶盘提供了基础数据。 2 实 验 实验用材料为 TC4 合金棒材,规格为 60 mm,采用自由锻造方法锻成约 30 mm ×90 mm ×70 mm 的毛坯,然后机械加工成焊接试板,试板端面( 10. 5 mm ×75 mm) 为焊接面,如图 1 所示。表 1 为 TC4 钛合 图 1 线性摩擦焊焊接试板 Fig. 1 Specimens for line friction welding test 第 4 期 张学军等: TC4 钛合金线性摩擦焊接头组织及性能研究 27 金棒材化学成分,表 2 为其力学性能。焊接实验在XMH -160 型线性摩擦焊机上进行,主要焊接工艺参数见表 3。 表 1 TC4 钛合金棒材化学

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