大厚度TC4钛合金窄间隙焊接接头组织性能研究

围绕磁控窄间隙TIG焊接(MCNG-TIG)和真空电子束焊接(EBW)大厚度TC4钛合金接头微观结构不均匀性及其对接头力学行为的影响进行了对比研究。利用扫描电子显微镜对两种接头中部焊缝区和热影响区不同区域的微观组织进行了表征,并对接头截面显微硬度分布和室温拉伸性能进行测定。结果表明,两种接头焊缝区皆为网篮组织,但MCNG-TIG焊缝中α板条宽度比EBW焊缝更加细小。热影响区为初生α相+β转变组织构成的混合组织。随着距焊缝中心的距离增大,β转变组织含量降低。MCNG-TIG热影响区中β转变组织比EBW热影响区更加细小。MCNG-TIG接头平均硬度分布为:热影响区>母材>焊缝;EBW接头平均硬度值分布为:焊缝>热影响区>母材。两种接头的室温拉伸强度系数皆达到0.9以上,EBW接头强度和延伸率略高于MCNG-TIG接头。MCNG-TIG接头室拉伸断裂位置位于靠近母材的热影响区,而EBW接头断裂位置位于焊缝中心。拉伸应变演化结果表明,MCNG-TIG接头在拉伸早期阶段在焊缝中和靠近母材的热影响区同时出现了应变峰值区域。随着拉伸的进行,双应变峰值区特征消失,塑性应变主要集中在靠近母材的热影响区。

大厚度TA17钛合金磁控窄间隙TIG焊接头组织和力学性能

对120 mm厚的TA17钛合金板进行了磁控窄间隙TIG焊接试验,系统表征了该焊接接头不同区域的显微组织和力学性能,并阐明接头显微组织演变过程及其对力学性能的影响。结果表明沿接头横向存在显著的组织不均匀性:靠近焊缝的母材区主要由拉长的α晶粒和沿晶界分布的β相构成,接头热影响区组织为粗大α集束构成的魏氏组织,熔合区为细小α片层交错组成的网篮组织。沿接头厚度方向,显微组织差异较小,接头上层熔合区观察到少量马氏体片层组织。接头熔合区硬度显著低于母材区的,拉伸过程中熔合区优先发生屈服,随后成为塑性变形集中区域,导致接头强度和塑性较母材降低。

镁合金电弧增材制造技术研究进展

镁合金是航空航天装备结构件轻量化制造的重要结构材料之一,电弧增材制造技术为大型、整体、高性能难加工金属构件的低成本、高效率制造提供了新的途径。采用电弧增材制造大尺寸镁合金复杂构件可满足航空航天高端装备轻量化、低能耗、高质量、高效率的迫切需求。综述了国内外研究团队在镁合金电弧增材制造方面取得的研究成果和进展,系统归纳了不同电弧增材工艺对镁合金构件控形改性的影响,从增材成形质量、构件组织性能和内部缺陷调控三个方面论述了镁合金电弧增材的成形特征、显微组织演化、冶金缺陷及力学性能特点,指出了镁合金电弧增材制造目前存在的问题及未来需重点关注的研究方向。

控制冷却对含Nb钢组织性能的影响研究

为了进一步提高含Nb钢的强度,降低含Nb钢的开发成本,通过实验室热轧试验研究超快冷、超快冷+层流冷却和层流冷却3种冷却模式对含Nb钢的组织演变和力学性能影响。结果表明,与层流冷却相比,试验钢采用超快冷后组织中出现针状铁素体和贝氏体,晶粒尺寸细化,位错显著增加,析出物粒子更为细小,试验钢力学性能显著提高。超快冷的主要强化机制为相变强化、细晶强化、位错强化和析出强化。超快冷+层流冷却模式下,随着终冷温度的降低,软相组织减少、硬相组织增多,试验钢的强度升高。随着出超快冷温度的降低,多边形铁素体体积分数逐渐减少且晶粒更为细小,针状铁素体体积分数增多,试验钢强度得到提高,断后伸长率略有降低。以上结果为超快冷工艺条件下开发低成本含Nb钢奠定了理论基础。

超快冷条件下X80管线钢的组织性能

为降低X80管线钢生产成本并降低其屈强比,利用MMS-300热/力模拟试验机模拟超快冷+层流冷却条件下X80管线钢的组织演变行为,并通过实验室热轧试验研究超快冷条件下实验钢的组织和性能。研究结果表明:随着冷却速度的增大,多边形铁素体含量减少,针状铁素体和贝氏体含量增加;当超快冷终止温度较高(≥700℃)时,实验钢的组织为针状铁素体和贝氏体;当超快冷终止温度较低(≤600℃)时,实验钢的组织以贝氏体为主;超快冷终止温度为650℃时,实验钢组织以准多边形铁素体+针状铁素体为主,少量的贝氏体和M/A岛成为钢中的硬相组织;当超快冷终止温度为655℃时,实验钢的屈服强度为662 MPa,断后伸长率为24.5%,屈强比为0.78,-20℃时冲击功为248 J,力学性能均满足甚至超过X80管线钢的标准要求。

Invar合金超声频脉冲电弧增材修复界面组织特征

为提高航空复合材料用Invar合金模具修复再制造的质量,本文对比研究了超声频脉冲电弧和普通直流电弧对Invar合金电弧增材修复熔覆金属界面组织特征的影响。结果表明,通过引入超声频脉冲电流,可在更低的热输入量条件下获得与常规直流电弧相当的熔深。重熔填充金属主要由柱状枝晶构成,重熔母材区主要由胞状晶构成。相比直流电弧,超声频脉冲电弧作用下胞状晶柱状生长可被有效阻断,进而获得短棒状胞状晶。在直流电弧重熔金属区可观察到大量晶间微米尺度热裂纹,而超声频脉冲电弧可有效抑制热裂纹等缺陷。

激光焊接快速凝固Ni_(51)Ti_(49)形状记忆合金显微组织和相变行为

文中研究了快速凝固Ni_(51)Ti_(49)形状记忆合金条(厚度1 mm)的激光焊接工艺,以及焊缝成形、接头显微组织演变、硬度分布和马氏体相变行为.结果表明,激光功率和焊接速度对焊缝成形有显著影响,采用激光功率为700 W、焊接速度为8 mm/s的焊接工艺实现焊缝区完全熔透,并获得熔合面积适中、缺陷较少的高质量接头;激光焊接导致接头各区域呈现显著的组织不均匀性,其中母材区保留快速凝固工艺的细晶、强织构显微组织特征,热影响区为粗大等轴晶和柱状晶构成的混合晶组织,焊缝中心区为粗大的柱状晶.激光焊接后热影响区和熔合区的维氏硬度相对母材有显著降低,其中熔合区的平均硬度最低,其值为311 HV±14 HV.接头经500℃保温1 h无应力时效处理后,接头各区域组织的相变行为明显不同,其中冷却过程中母材区发生常规两步马氏体相变(B2–R–B19′),而焊缝区呈现多步马氏体相变行为,即先发生一步B2–R相变,随后发生两个独立的R–B19′相变.

热处理对2219铝合金双频复合脉冲TIG焊接头组织演变及力学性能影响

系统对比研究了直接时效处理和固溶时效处理对2219-T6铝合金双频复合脉冲TIG焊接头强化的影响.分析了焊后热处理工艺对α-Al晶粒、共晶组织及时效析出行为的影响,讨论了接头组织不均匀性对塑性变形行为的影响机制.结果表明,直接时效处理对α-Al晶粒和共晶组织影响较小,在焊缝区引入低密度粗大θ’-Al_(2)Cu析出相,对接头强化效果有限,且对塑性有损害;而固溶时效处理导致α-Al晶粒粗化、共晶组织含量降低且尺寸细化,在焊缝区引入高密度细小θ’’-Al3Cu析出相(平均直径22 nm),并显著提升接头强度和塑性,使得接头强度系数达到0.84,断后伸长率升高至7.0%.固溶时效处理导致的接头强塑化源于焊缝区内高密度纳米θ’’-Al3Cu相所产生的析出强化效应,使得接头强度匹配更加均衡,促进了接头均匀塑性变形,并提升了接头抗拉强度.

AZ31镁合金超音频脉冲方波电弧增材成形控制

镁合金是航天装备结构件制造轻量化的重要结构材料之一,但受限于其成形性差等因素,高性能镁合金复杂构件制造困难,极大地限制了其应用范围。文中针对AZ31镁合金电弧增材成形特性开展研究,率先将自主研发的新型超音频脉冲方波电弧热源用于镁合金电弧增材制造,重点研究了增材过程参数(送丝速度、运动速度)和电流特征参数(变极性电流、变极性频率和超音频脉冲电流频率)对AZ31镁合金增材表面形貌和成形特征尺寸的影响。结果表明:通过合理匹配超音频脉冲方波电流参数和增材过程参数,可实现对AZ31镁合金增材成形的有效控制,在送丝速度6 m/min,运动速度0.2 m/min,变极性电流90 A,变极性频率300 Hz,高频脉冲电流频率60 kHz条件下,AZ31镁合金增材成形质量良好,有效利用率达90%。

厚壁钛合金熔化焊接技术研究现状

钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀性能好和高温性能优良等特点,被广泛应用于航空航天、海洋装备等领域。近年来,随着对厚壁钛合金的需求不断提高,厚壁钛合金的焊接技术也展现出了巨大的应用价值。因此,本文综述了厚壁钛合金材料熔化焊接技术的研究进展,主要涵盖非熔化极气体保护焊、电子束焊和激光焊等,并对厚壁钛合金焊接技术的发展趋势进行了展望。

厚板TC4钛合金电子束焊接头组织演变及力学性能

电子束焊因其真空环境、能量密度大、焊缝深宽比大等优点,被广泛应用于钛合金焊接。系统研究了30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头组织演化及其力学性能。结果表明:熔合区中部由粗大原始β柱状晶组成,内部为αGB、块状α集束和部分网篮组织构成的混合组织,靠近热影响区的熔合区由等轴原始β晶粒构成;热影响区存在较显著的组织不均匀性,随着距熔合区距离增大,β转变组织(次生α片层+残余β相)含量逐渐降低,初生α相含量逐渐升高;熔合区平均显微硬度比母材高约50 HV,接头抗拉强度达到906 MPa,接头强度系数达到96%,拉伸断裂位置位于熔合区内。

厚板钛合金磁控窄间隙TIG焊接技术发展现状

磁控窄间隙TIG焊接技术能有效解决厚板钛合金侧壁熔合不良的问题,其工艺稳定性好、设备成本较低,能为大型钛合金海工结构和装备制造提供有力支撑。围绕厚板钛合金磁控窄间隙TIG焊接技术及其研究现状展开论述。重点阐述了外加横向磁场对电弧摆动的作用机理,并讨论了主要焊接工艺参数(窄间隙坡口设计、焊接电流强度、外加磁场强度和频率及电极位置)对焊缝成形的影响。结合自研结果探讨了不同规格钛合金磁控窄间隙TIG焊接接头的显微组织和力学性能,并进一步概述了焊后残余应力分布特征。研究结果表明,利用外加磁场实现电弧周期摆动能有效调控热输入分布,进而改善侧壁熔合不良的问题;相比其他窄间隙焊接技术,磁控窄间隙TIG焊接能获得更加均匀的焊缝组织和优异的接头力学性能;磁控窄间隙TIG焊接后,接头表面存在较大拉应力,结合合适的热处理工艺能有效降低接头残余应力。最后,对磁控窄间隙TIG焊技术发展和前景进行了展望。

铝/钢大功率超声波焊接过程模拟与试验验证

为了揭示大功率超声波焊接机理,以6061-T6铝合金和DC04低碳钢作为工件材料,建立了大功率超声波金属焊接的三维有限元热力耦合模型,模拟了焊接温度场以及工件塑性变形过程。模型中的焊接热源与超声功率有关;工件的超声软化与焊接振幅及频率相关。模拟结果表明:超声电功率转化为焊接热量的转化率呈指数上升,随后近似稳定;焊接区域最高温度为566℃,为铝合金熔点的87%;工件接触面的材料由外侧向焊头下方的中间区域发生塑性流动并堆积在区域边缘,促进了焊接界面形成,且堆积产生的焊接区域的面积远大于焊头端面面积;在焊接初期,焊头的下压表现为钢的嵌入,随后在超声软化和高温作用下,铝合金表面的嵌入速度加快,焊接结束时,钢和铝表面均达到最大的嵌入深度。

TIG电弧增材制造AZ31镁合金成形尺寸控制研究

镁合金作为航天装备结构件轻量化和一体化制造的关键轻质结构金属材料,电弧增材制造镁合金过程中成形尺寸精确控制一直是研究的重点。基于二次回归通用旋转组合试验设计法,建立了电弧增材关键工艺参数(基值电流、送丝速度、运动速度)与成形尺寸特征参数间的回归模型,采用响应面法深入分析了单一参数及耦合作用对增材成形尺寸的影响规律。结果表明:在试验设计参数范围内,基值电流的增大对成形高度起抑制作用,对成形宽度起促进作用;随着送丝速度的增大,成形宽度略微减小,层高呈现增大趋势;运动速度的增大使得沉积层的层高和层宽均减小。各工艺参数对成形高度影响最大的是送丝速度,其次是基值电流,影响最小的是运动速度;基值电流对成形宽度影响最大,其次是运动速度,对成形宽度影响最小的是送丝速度。

2219中厚铝合金VPTIG深熔焊接熔池行为与组织性能

针对2219-T87铝合金双频复合脉冲变极性TIG(DP-VPTIG)深熔焊接过程,采用高速图像采集和多物理场数值仿真技术对熔池传热传质行为进行研究,解耦了双频脉冲电流和方波变极性电流的作用机制,并探究了DP-VPTIG电弧对接头组织性能的影响。结果表明:双频脉冲能有效激发熔池内小孔,方波变极性电流能保证焊接过程稳定,DP-VPTIG可实现中厚板铝合金的高效高质量深熔焊接。相比常规VPTIG接头,DP-VPTIG接头焊缝组织更加细小,接头抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高了8%、17%和22%。

辅助电流对Cu/Al大功率超声波焊接的影响

为获得更高质量的Cu/Al异质金属接头,开展了Cu/Al电流辅助大功率超声波焊接工艺试验,研究了辅助电流对Cu/Al超声波焊接的界面温度、材料塑性流动、界面中间相(IMC)分布及接头力学性能的影响。结果表明,复合焊件成型良好,其接头抗拉剪力为3030N,接头的断裂模式为韧性-脆性复合断裂。在同样的焊接时间0.2s内,随着电流的增大,Cu/Al界面温度增加,金属塑性流动以及界面扩散也随之增强,这说明辅助电流能明显促进界面冶金;相比长时间0.4 s的超声波焊接,辅助电流能在保证界面温度、材料塑性变形的前提下,能明显减薄界面IMC层的厚度,这是电流增强Cu/Al接头的主要物理机制。研究结果为优化Cu/Al复合焊接头强度提供了参考。