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%。

Energy transformation analysis during friction welding of superalloy lnconel 718

By detecting and analyzing the variations of energy parameters-torque and temperature field during friction welding, this paper describes that during quasi-stationary heating phase, quite a little mechanical work is transformed into plastic deformation work, thus the efficiency of heat excited by friction is low.

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°。

TiAl合金与GH3039高温合金的摩擦焊接

对TiAl合金与GH3039高温合金异种材料进行了摩擦焊接工艺试验.基于接头的拉伸性能,初步优化了焊接工艺参数.采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对焊接接头组织、焊合区成分变化及接头连接机理进行了分析.结果表明,TiAl合金与GH3039高温合金两种异种材料摩擦焊接具有可行性,在摩擦焊接过程中热力耦合的作用下,GH3039侧热力影响区塑性变形较大,TiAl合金侧热力影响区变形较小;TiAl合金与GH3039高温合金摩擦焊接连接界面两侧的合金元素发生了扩散,形成了复杂的层状金属间化合物组织结构;断于TiAl合金母材的焊接接头断口属于典型的脆性断口.

异质TC17线性摩擦焊接头焊后时效处理组织与性能

线性摩擦焊是制造航空发动机整体叶盘的关键技术.通过光学显微镜、扫描电镜、电子式万能试验机及显微硬度仪对比分析了TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头焊态及不同时效温度下接头的组织与性能.结果表明,焊态下焊合区及附近区域的微观组织为过冷β细晶,硬度最低;经焊后时效处理,析出了细小针状α相,硬度升高.焊后时效温度为400℃时,焊合区及附近区域的硬度值明显提高,焊接区脆化.焊后时效温度为630℃时,接头弯曲角度最高,但强度降低.综合焊接接头的硬度、弯曲与拉伸性能优化出的焊后时效温度为550℃.接头弯曲角度和抗拉强度分别达到母材的36%和95%. TC17(α+β)侧热力影响区(thermal-mechanical affected zone,TMAZ)受力后微观塑性变形更均匀,其强塑性能均优于TC17(β)侧TMAZ.接头的弱化区对应于TC17(β)侧TMAZ硬度变化梯度及组织梯度最大的区域.相比母材,接头的塑性损失比强度损失要大得多.

TiAl与GH3039异种材料摩擦焊接工艺及接头组织

为提高TiAl与GH3039异种材料摩擦焊接接头性能,对主要摩擦焊接参数进行优化,利用半自然热电偶法对焊接过程界面温度进行实时测量,采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对界面组织结构及拉伸断口进行分析。结果表明:GH3039出模量的变化对接头抗拉强度影响较大,当出模量为4.1 mm时,接头强度可达374 MPa。通过标定NiSi-GH3039热接点热电势与温度的关系,测量得到准稳定摩擦阶段界面温度为960~1030°C,处于TiAl合金的超塑性温度范围。焊后界面结合良好,没有裂纹及孔穴等缺陷,焊合区形成了五层合金相过渡层。接头断裂易发生于Al3NiTi2脆性相层,断口主要形貌为凹凸的摩擦环。

电模拟惯性摩擦焊接技术

为适应摩擦焊接设备的发展,降低制造成本,在对惯性摩擦焊接过程运动学方程分析基础上,结合电模拟惯量技术,开发出了电模拟惯性摩擦焊接技术及设备.结果表明,电模拟惯性摩擦焊接过程中各参数随时间的变化规律,以及惯量大小对焊接参数的影响规律,符合惯性摩擦焊接的一般规律.相同惯量下,电模拟惯性摩擦焊接与机械惯量惯性摩擦焊接过程转速曲线变化趋势一致.采用电模拟惯性摩擦焊接技术,所需惯量可以设定成大于系统基本惯量,也可以设定成等于或低于系统基本惯量,还可以补偿主轴机械摩擦阻力对焊接过程参数的影响.

TC17(α+β)/TC17(β)线性摩擦焊接过程中焊合区组织及其织构演变

线性摩擦焊接是制造异种或异质合金整体叶盘的关键技术。焊接过程中焊合区的组织形成与变化规律决定了焊接接头的组织和性能,也是线性摩擦焊接连接机理的主要研究内容。通过扫描电镜、电子背散射衍射等观察分析了TC17(α+β)/TC17(β)同种异质钛合金线性摩擦焊接过程中不同时刻停振得到的焊接接头组织,研究了焊接过程中热力影响区范围的变化规律、焊合区的动态再结晶及织构变化规律。结果表明,摩擦时间仅为0.5 s时,焊接界面中心区已发生了动态再结晶,生成了亚稳定β晶粒。随摩擦时间加长,乃至停振顶锻之后,细晶区宽度逐渐变窄,晶向分布越来越集中,小角度晶界占比增加,大角度晶界角度占比减小,动态再结晶晶粒面积逐渐加大。焊合区最终形成了与体心立方三种滑移系相对应的三种织构,{112}<111>、{110}<111>和{123}<111>。该织构形成的主要作用机制是摩擦压力,而非摩擦剪力。当接头承受轴向拉力时,该织构晶粒容易产生剪切塑性变形,降低接头强度。

TiAl合金涡轮压缩损伤与拉伸断裂行为

为研究TiAl合金涡轮经压力作用后的组织损伤机制及性能弱化规律,设计了对TiAl合金涡轮先压缩再拉伸的实验方法。利用SEM对压缩后的涡轮轴颈表面及内部的滑移和微裂纹进行分析,并观察拉伸断口形貌。结果表明:随着前期涡轮所受的压力的增大,压缩后的TiAl涡轮剩余抗拉强度逐渐降低,当压力为610 MPa时,剩余抗拉强度仅为86MPa,强度损失率高达70%。TiAl合金压缩过程中形成了以沿层裂纹为主、穿层裂纹为辅的变形损伤特征。与压缩轴成45°的最大剪应力方向上的沿层裂纹是TiAl合金压缩损伤的主要形式。压缩损伤后的TiAl合金涡轮拉伸断裂均发生在靠近涡轮浇铸冒口侧的细轴颈部位。受压变形后的片层组织中的微小裂纹在随后拉应力作用下继续扩展直至韧带桥被贯穿,小裂纹合并成大裂纹,在断口上表现出沿层和穿层的混合断裂形貌。

中间层材料对TiAl合金与42CrMo钢摩擦焊接头性能的影响研究

TiAl合金与42CrMo直接摩擦焊接性较差,为此分别引入高温合金GH3039、K418、N80A和纯镍N6作为中间材料,对TiAl-GH3039/K418/N80A/N6-42CrMo异种材料的摩擦焊接工艺进行了研究。采用硬度计、扫描电镜和电子万能试验机对焊后接头区域的硬度、组织和焊合区成分变化以及接头力学性能进行了分析。研究表明,TiAl合金与异种材料焊后接头中形成了复杂的多层状金属间化合物;TiAl合金与GH3039、N80A的摩擦焊接性较好,与K418、N6的摩擦焊接性较差;根据不同材料线膨胀系数随温度的变化规律、与TiAl合金摩擦焊接后接头的性能及其与42CrMo的摩擦焊接性,最终选择GH3039作为中间材料。通过引入中间材料,摩擦焊制备了TiAl合金涡轮-42CrMo转轴的异种材料整体转子,使得TiAl合金在涡轮增压器领域的应用成为可能。

TC17-TC11异种钛合金线性摩擦焊接头弯曲性能分析与改善

分析了TC11和TC17异种钛合金线性摩擦焊接接头的弯曲性能,探寻了焊缝区弯曲塑性的薄弱区。通过测试焊接接头的硬度、分析焊缝区组织、断口形貌,特别是弯曲试样表面滑移线形态,研究了弯曲断裂机制。通过焊后超声冲击以及高温固溶+时效热处理,探索了改善焊接接头弯曲塑性的工艺方法。研究结果表明,采用接头弯曲性能试验,可以更好地表征TC11和TC17异种钛合金线性摩擦焊接接头焊缝区的宏观性能;经焊后时效热处理的线性焊接头的弯曲角度只有TC17母材的38%,TC11母材的30%。弯曲塑性是其力学性能的薄弱环节;焊合区及TC17侧变形区是接头弯曲塑性的薄弱区,弯曲断口均呈脆性断裂特征。焊合区断口为细小等轴晶粒的晶间断裂,焊接界面对TC17侧的滑移有明显的阻碍作用,容易在焊合区TC17侧形成微观裂纹;TC17变形区的弯曲起裂断口是大面积滑移剪切所形成的剪切韧窝,而TC17侧变形区晶粒大而长,有利于形成更长的滑移线和更集中的位错聚集,所以弯曲试验时TC17侧变形区最容易开裂。焊后进行超声冲击处理,在试件表面形成了约20μm厚度的变形层,接头的弯曲角度相对提高34%;接头进行高温固溶+时效处理后,接头的弯曲塑性提高,最高平均弯曲角度达到31.2°,相对提高82%。为钛合金线性摩擦焊接接头的宏观塑性性能分析与改善提出了一个有意义的研究方向。

TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头界面研究

采用OM、SEM、TEM等手段对TC11和TC17钛合金线性摩擦焊接界面的显微组织进行了分析。结果表明,在焊合界面处发生了动态再结晶,形成了共有晶粒和共有晶界,共有晶粒内焊合界面处形成了一个相界面。合金元素在共有晶界和共有晶粒内相界面处均发生了相互扩散。在共有晶粒和共有晶界形成过程中对溶质元素的排斥、吸附与拖曳作用下,共有晶粒内相界面处合金元素的变化范围比共有晶界处宽,且焊合区相界面处的成分变化要大于相内部。焊合界面处形成了大量细小的针状α相,其内有大量的变形孪晶。共有晶粒内的焊合界面的微观结构包括2个界面(两侧材料各自的再结晶生长界面)和2个生长区(有序和无序),该处动态再结晶也有类似于凝固结晶的有序和无序结晶过程。

TiAl合金与GH3039摩擦焊接界面组织

使用GH3039合金作为γ-TiAl与碳钢摩擦焊接的过渡第三体,采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了TiAl/GH3039摩擦焊接接头的界面结构。结果表明,γ-TiAl和GH3039摩擦焊接接头的最大抗拉伸强度能达到400 MPa以上。GH3039一侧热力影响区的塑性变形大于TiAl一侧,并且在两侧均发生动态再结晶。接近GH3039母材相层中的Ni含量几乎不变,接近TiAl母材相层中的Ti含量也几乎不变。在GH3039侧面附近的焊接区中,富Ni和富Cr晶粒的分布是互补的。Ti和Al容易溶于富Ni的晶粒中,而Mn容易溶于富Cr的晶粒中。在结合区中形成的大量富Cr晶粒是体心立方结构的α-Cr。γ-TiAl和GH3039摩擦焊接的典型界面结构为:γ-TiAl+α_(2)-Ti_(3)Al/α_(2)+τ_(3)/τ_(3)-Al_(1+x−y)Ti_(1+y)Ni_(1−x)/τ_(3)+α-Cr/(Ni,Cr)_(ss)/GH3039。