氢对TC4钛合金焊接接头组织与性能影响的研究

作者:刘鹏涛;任瑞铭(指导教师) 刊名:机械工程学报 上传者:王艳红

【摘要】钛合金材料的焊接方法中,电子束焊接是一种先进的高能束流加工技术,具有其他传统焊接方法无法比拟的优点。由于钛合金电子束焊接构件在使用环境中存在氢和循环应力,焊接构件有发生氢致断裂的可能,因而研究氢对电子束焊接头疲劳性能的影响显得十分重要。作为一种新型的固相连接技术,线性摩擦焊接具有优质、高效、节材、无污染等一系列优点,但线性摩擦焊技术也存在焊机吨位大、设备制造复杂的问题,限制了它的应用范围。钛合金置氢加工工艺是把氢作为一种临时合金化元素,通过改变钛合金的相组成和微观结构,进而达到改善钛合金加工性能的目的。应用这一技术可以充分发挥钛合金材料的加工性能,降低合金对设备成型能力的要求。本文以TC4钛合金为研究对象,首先分析了置氢后TC4钛合金室温组织及亚结构的演变规律,然后研究了氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳性能的影响规律,最后研究了置氢TC4钛合金的线性摩擦焊连接性能,并对置氢钛合金线性摩擦焊过程进行了数值模拟。

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142 机 械 工 程 学 报 第49卷第8期 [11】张桥,张卫红,朱继宏.动力响应约束下的结构拓扑优 化设计[J].机械工程学报,2010,46(15):45-51. ZHANG Qiao,ZHANG Weihong,ZHU Jihong.Topology optimization of structures under dynamic response constraints[J].Journal ofMechanical Engineering,2010, 46(15):45·51. [12】ZHANGZH,LIU ST,TANGZL.Designoptimization of cross-sectional configuration of rib-reinforced thin—waled beam[J].Thin-walled Structure,2009,47: 868.878. 作者简介:徐中明,男,1963年出生,教授,博士研究生导师。主要研 究方向为车辆系统动力学及控制,车辆振动噪声控制和智能汽车控制。 E—mail:xuzm6@163.corn 第 2届上银优秀机械博士论文奖——佳作奖 氢对TC4钛合金焊接接头组织与性能影响的研究 作者:刘鹏涛 毕业学校:大连交通大学 指导教师:任瑞铭 钛合金材料的焊接方法中,电子束焊接是一种先进的高能束流加工技术,具有其他传统焊接方法无法比拟的优点。由于 钛合金电子束焊接构件在使用环境中存在氢和循环应力,焊接构件有发生氢致断裂的可能,因而研究氢对电子束焊接头疲劳 性能的影响显得十分重要。作为一种新型的固相连接技术,线性摩擦焊接具有优质、高效、节材、无污染等一系列优点,但 线性摩擦焊技术也存在焊机吨位大、设备制造复杂的问题,限制了它的应用范围。钛合金置氢加工工艺是把氢作为一种临时 合金化元素,通过改变钛合金的相组成和微观结构,进而达到改善钛合金加工性能的目的。应用这一技术可以充分发挥钛合 金材料的加工性能,降低合金对设备成型能力的要求。本文以TC4钛合金为研究对象,首先分析了置氢后 TC4钛合金室温 组织及亚结构的演变规律,然后研究了氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳性能的影响规律,最后研究了置氢 TC4钛合金的 线性摩擦焊连接性能,并对置氢钛合金线性摩擦焊过程进行了数值模拟。 钛合金的室温组织是影响其焊接性能以及接头力学性能的主要因素。本文采用光学显微镜、扫描电子显微镜、x射线衍 射仪及透射电子显微镜分析了置氢对 TC4钛合金室温组织及亚结构的影响规律,并揭示了置氢TC4钛合金中氢化物的析出 机制。研究结果表明,随着氢含量的增加,TC4钛合金组织中初生Ct相的含量逐渐减少,D相的含量逐渐增多,孪晶数量明 显增多。当氢含量达到 0.25 wt%后,在 TC4钛合金中观察到了面心立方结构的6氢化物。 采用置氢 C(T)试样对 TC4钛合金电子束焊接头的室温疲劳裂纹扩展速率进行了测定。研究结果得出,置氢母材试样在 低速扩展区和失稳快速扩展区的 da/dN 相对于未置氢试样有明显的提高,但不同氢含量之间差别不大。在稳态扩展区(Paris 区),氢对试样 da/dN 的影响很小。对于焊缝试样,置氢试样的 da/dN在裂纹扩展的全过程均明显高于未置氢试样,并且随 着氢含量的增加,裂纹扩展速率提高,只是在氢含量由0.054、vt%增加到 0.101 wt%时,提高幅度变小。氢对 TC4钛合金母 材和焊缝试样断口形貌的影响规律基本相同,

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