TC17线性摩擦焊界面温度分析与测量

焊接过程中的界面温度是研究接头组织形成变化机理的关键参量。根据线性摩擦焊接过程准稳定摩擦阶段焊件中(不包括飞边)准稳定温度场基本保持不变,所产生的热量主要被飞边带走的特点,通过理论分析,求解出了线性摩擦焊接过程准稳定摩擦阶段焊接界面的平均温度,利用半自然热电偶实际测量了TC17钛合金线性摩擦焊接时的焊接界面不同位置的温度变化。结果表明,典型参数下TC17准稳定摩擦阶段焊接界面的实测温度大约为1228℃,焊后冷却至500℃的速度约52℃/s,准稳定摩擦阶段焊接界面中心点和边缘点的温度相差不超过10℃,界面中心点的升温速率以及降温速率均高于边缘点,测量值与理论计算值相差不超过10%。

钛合金TC4高速铣削表面形貌及表层组织研究

钛合金高速铣削加工以高效率、高质量的优点已经广泛应用于航空航天工业。为优化钛合金材料高速铣削工艺参数,给表面完整性研究提供试验依据,采用扫描电镜(SEM)分析了不同铣削参数加工的钛合金试样表面形貌和表层组织。发现随着主轴转速的增加铣削表面质量越来越好,而轴向切深对钛合金高速铣削工件表层微观组织的影响甚微;铣刀一次走过的区域,中心处表面比边缘处表面质量好;绝大部分铣削表层组织中看不到变形组织,只是在个别区域出现了局部不连续的变质层,但切道侧面尖角处晶粒歪扭变形明显。

线性摩擦焊机振动系统幅相控制策略研究

为保证线性摩擦焊接过程能量输入的稳定性,提高线性摩擦焊机振动系统幅值与相位的控制精度,建立了振动系统目标信号、输入信号与输出信号之间的关系,提出幅相控制策略,设计了幅相控制算法控制器,并采用Simulink建立了系统控制模型,通过模拟仿真,得到了不同焊接参数下的算法输入参数。通过典型参数下的焊接试验,验证了幅相控制的可行性。根据焊接过程参数分析了不同控制方法的控制效果,结果表明采用所设计的幅相控制策略,焊接过程中振动系统的振幅误差为1.2%,相位误差为0.16°。

摩擦焊接过程电液比例计算机闭环控制系统研制

根据摩擦焊接过程质量控制需要,在摩擦焊机原有开关控制阀组成的液压施力系统上,增设了压力与流量电液比例控制阀,并配置了相应的计算机测控硬件,在Windows操作系统下采用VC++编制了相应的测控程序,从而建立了摩擦焊接过程计算机电液比例闭环控制系统。静动态测试及应用表明,该系统静动态特性好,可靠性高,实现了摩擦焊接过程中轴向压力的闭环控制、滑台进给速度的开环比例控制,以及主轴转速、轴向压力、轴向缩短量、摩擦转矩(主电动机电流),以及界面温度的实时检测,能够满足摩擦焊接过程闭环控制系统需求,有广泛的应用前景。

GH4169合金磨削表面塑性变形层的微观结构

采用光学显微镜、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜对航空发动机常用高温合金GH4169磨削表面变质层的微观组织结构进行研究。结果表明,GH4169合金磨削表面及亚表面发生了局部剧烈塑性变形,在表面变质层内形成了剧烈塑性变形层（Severe plastic deformation layer,SPDL）。通过分析选区电子衍射图特征,确定出本试验条件下磨削表面塑性变形层的深度略大于2.2μm。根据组织特点,磨削表面的SPDL进一步可分为表面非晶层、微观剪切带和纳米晶层。表面非晶层最靠近外表面,其内主要为非晶组织和高密度的空位,但仍存在一定量的直径为1~3 nm的有序结构。微型剪切带是位于表面非晶层和纳米晶层之间、平行于磨削表面、宽度约2 nm的一条带状区域,其内组织已经完全非晶化,不存在有序结构。纳米晶层紧邻基体,主要是直径为10~150 nm的纳米晶粒,纳米晶粒内部原子排列基本有序,但仍存在大量的晶格缺陷,主要为非晶化、位错、层错和孪晶。

线性摩擦焊接过程三维热力耦合有限元分析

采用热力耦合有限元方法,建立了线性摩擦焊接过程三维弹塑性有限元计算模型,综合考虑了异种材料线性摩擦焊接成型过程的几何非线性、材料非线性和摩擦界面接触非线性行为,着重分析了摩擦焊接过程中的不同产热机制及转化规律,直接由焊件材料的性能参数及设定的焊接规范参数对线性摩擦焊接过程的焊接参数、物理参量场的变化规律进行了数值模拟,得到了线性摩擦焊接过程中的温度场和应力场变化规律。为整体叶盘线性摩擦焊接制造技术的发展提供理论基础。

摩擦焊接初始阶段的摩擦机制及摩擦系数

对影响摩擦焊接初始阶段温度场的摩擦机制及摩擦系数进行了实验研究。结果表明：在摩擦焊接初始阶段，摩擦表面的摩擦机制主要为粘着摩擦，在外缘区域存在着氧化摩擦。文中还通过回归方法建立了ＧＨ２１３２材料摩擦焊接初始阶段摩擦系数与摩擦压力、摩擦速度及表面温度之间的经验公式。

线性摩擦焊机夹具系统弹性变形对焊接过程的影响

线性摩擦焊机是研制高推比航空发动机整体叶盘的关键设备,其核心是产生往复运动的振动系统。在振动系统往复运动中,固定夹具系统在往复摩擦力的作用下,不可避免的产生弹性振动和机械位移。通过建立线性摩擦焊接过程的动力学理论模型,研究了固定夹具的弹性振动对线性摩擦焊机振动系统驱动力、机械功率及产热功率的影响。指出线性摩擦焊接过程中,夹具系统的刚性对于焊接过程有很大的影响。固定夹具系统的弹性变形降低了摩擦界面的产热功率。摩擦阻力对驱动系统输出功率及摩擦产热功率的影响存在转折点,摩擦阻力过大,驱动系统输出功率及摩擦产热功率反而会下降,因此必须保证线性摩擦焊机夹具系统的刚性。该研究为进行线性摩擦焊机的设计提供了理论依据。

GH2132摩擦焊接过程中焊接区金属的再结晶过程

采用在摩擦焊接过程不同时刻停车并迅速冷却的方法，研究了ＧＨ２１３２材料摩擦焊接过程中的动态及静态再结晶过程。通过回归分析，建立了动态再结晶晶粒尺寸与温度、应变速率之间的定量关系。研究表明，摩擦焊接过程主要是一个动态再结晶过程，动态再结晶晶粒尺寸与Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍａｎ参数密切相关。

摩擦焊接过程的热力耦合有限元分析

采用热力耦合有限元分析方法,综合考虑摩擦焊接过程中不同的产热机制、随温度变化的材料性能、飞边形成及摩擦系数随速度、温度、压力的变化规律,直接由焊件材料的性能参数及设定的焊接规范参数(轴向压力与转速随时间的变化曲线)对焊接全过程的焊接参数(摩擦转矩、轴向缩短量及平均温度)、物理参量场(温度场、应力场、变形场)及焊合区金属晶粒尺寸的变化规律进行了数值模拟,得到了焊接过程中摩擦表面上切应力、加热功率、温度及轴向压应力的分布及变化规律,实现了对焊合区金属晶粒尺寸的数值模拟。

初始动态再结晶过程中的位错动态行为

从研究位错动态行为出发，提出了一种新的动态再结晶理论，并通过求解发生初始动态再结晶时位错攀移速率与滑移速率之比的临界值，建立了相应的热变形参数之间的物理关系。

单晶DD3与细晶DAIn718高温合金摩擦焊接性分析

整体叶盘是发展高推重比航空发动机的关键技术 ,整体涡轮叶盘的叶片和轮盘分别由单晶高温合金和细晶 (或粉末 )高温合金制造。文中分析了单晶 DD3与细晶 DAIn71 8高温合金摩擦焊接头组织 ,测试了室温及高温下接头的强度与持久性能。结果表明 ,摩擦焊接工艺对单晶高温合金的“定向”及“单晶”特征 ,以及细晶高温合金的“细晶”特征均无明显改变 ;异种材料摩擦焊接头的力学性能可以达到母材性能。摩擦焊接是连接单晶材料与细晶材料的有效方法。

计算机闭环控制系统在摩擦焊接中的应用

根据摩擦焊接过程质量控制需要 ,建立了摩擦焊接过程计算机电液比例闭环控制系统 ,实现了摩擦焊接过程中轴向压力的闭环控制、滑台进给速度的开环比例控制。生产现场数据统计分析表明 ,采用电液比例计算机闭环控制系统后 ,摩擦压力与顶锻压力的平均误差小于 2 % ,变异系数接近于 0 ,摩擦焊接参数的稳定性大大提高 。

纯铜表面的连续摩擦压扭处理

提出了一种在纯铜表面得到大面积亚微米细晶组织及进行表面硬化处理的新工艺.在T2紫铜表面,利用连续摩擦压扭过程中产生的剧烈剪切塑性变形,使材料表面形成了一层厚为0.1～O.2 mm、晶粒直径200～300 nm的亚微米细晶组织,表面硬度比基材提高了1倍.压扭头行走速度和转速对变形区晶粒细化和硬化效果影响显著.理论分析结果表明,在垂直于行走方向上加热能量和变形程度基本均匀.

K418高温合金与42CrMo钢异种金属摩擦焊接头碳化物带形成机制

采用摩擦焊接连接发动机涡轮增压器高温合金K418涡轮盘与调质钢42CrMo转子轴时,其接头常会发生低应力破坏和表面缺陷,拉伸断口外圈出现"光亮圆环"。接头金相组织、断口微观形貌及接头元素成分分析表明,由于两种材料物理与化学性能的差异,焊接过程中发生了摩擦界面转移现象,新形成的"次生摩擦面"诱导碳元素在其上聚集,从而在高温合金一侧形成了一条沿着次生摩擦面分布的碳化物带,导致接头的低应力破坏。

K418涡轮盘和42CrMo轴摩擦焊接头的强化

涡轮增压器转子是发动机的核心部件 ,通常由铸态的 K41 8涡轮盘和调质状态的 42 Cr Mo涡轮轴摩擦焊接而成 ,焊接接头常会发生接头低应力破坏和焊接缺陷。强、弱两种焊接规范模式下得到的接头微观硬度、成分及金相组织分析表明 :采用强规范焊接时接头两侧硬度的变化程度小于弱规范焊接时接头两侧的硬度变化。采用弱规范焊接时 ,42 Cr Mo侧热力影响区易出现粗晶、上贝氏体、混合组织 ,K41 8侧热力影响区会产生粗晶、碳化物带、粘滞层。因此 ,K41 8+ 4 2 Cr Mo摩擦焊接时 ,宜采用强规范。摩擦焊接工艺研究表明 ,旋转工件表面线速度 v、摩擦压力 Pf、顶锻压力 Pd,以及反映加热功率 (温度 )的参数 Pfv对接头拉伸强度的影响显著。通过数理统计分析建立了接头拉伸强度与上述参数之间的关系式。

半自然热电偶测温法——一种测量摩擦界面温度及其分布的新方法

将标准热电偶与自然热电偶两种测温方法结合起来,提出了一种能直接测量同种及异种材料摩擦界面温度及其沿径向分布的新方法.通过采用GH2132-NiSi半自然热电偶对φ25mm的GH2132-GH2132及GH2132-42CrMo摩擦焊表面温度实测,表明了半自然热电偶测温方法的实用性.

DD3合金与Renē95合金摩擦焊接界面摩擦学性能分析

摩擦系数是摩擦焊接研究中重要的能量参量与摩擦学参量。DD3合金和Ren叆95合金分别是先进航空发动机整体叶盘制造中所用的单晶叶片材料和粉末冶金涡轮盘材料。为研究这两种材料的摩擦焊接性 ,作者在理论推导摩擦焊合区力学参量的基础上 ,采用计算机测控系统实时测量了DD3和Ren叆95连续驱动摩擦焊接过程中的摩擦界面温度、摩擦扭矩与轴向压力。其中 ,摩擦界面温度采用半自然热电偶测量。通过试验数据回归分析 ,分别建立了初始摩擦阶段摩擦系数公式f1=1.76 8-0 .465(T -2 73) 0 .0 0 5、准稳定摩擦阶段的流动应力公式σ =186 .2 3exp 16 7.15 6T - 2 73和等效摩擦系数公式 f2 =- 9.2 93+0 .0 16T - 6 .918× 10 -6T 2 。为进行整体叶盘摩擦焊接过程的产热机制分析与数值模拟奠定了试验基础。

摩擦焊接过程PLC闭环控制系统

为提高摩擦焊接过程参数控制精度,降低控制系统成本,以PLC为控制平台,配合必要的A/D、D/A模块以及电液比例控制单元,建立了摩擦焊机PLC闭环控制系统,并开发了相应的闭环控制软件和人机界面。该系统具备摩擦焊接过程顺序控制功能和轴向压力闭环控制功能。测试表明,该系统闭环控制周期16ms。经实际生产表明,可以稳定用于摩擦焊接生产,摩擦压力和顶锻压力的控制精度可达5%。

单晶DD3与细晶FGH4095高温合金摩擦焊接头组织

对单晶DD3与粉末细晶FGH4095高温合金摩擦焊接接头,采用光学显微镜及SEM-EDS分析了接头组织、焊合区成分变化及接头连接机理.结果表明,焊合区两侧材料均形成了动态再结晶晶粒;连接界面位于两侧动态再结晶晶粒之间;连接界面两侧合金元素发生了扩散;两侧动态再结晶晶粒均有向对方弓形凸入长大的趋势,通过形成共同晶粒,实现两种异质材料的连接;FGH4095侧的动态再结晶晶粒向DD3一侧长大的趋势较大.DD3与FGH4095摩擦焊接过程中发生了摩擦面转移,实际的摩擦变形主要在DD3摩擦带内部,接头组织变化梯度大.