加热温度和热处理对TC4钛合金热自压连接接头组织和性能的影响

采用自行设计的感应线圈、刚性拘束工装与实验室现有感应加热装置结合,以5 mm厚TC4钛合金为母材进行局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接(TSCB),探究了不同加热温度和热处理对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,加热温度过低(900℃)会导致原子扩散不充分,加热温度过高(990℃,超过β→α相变温度)会形成的粗大魏氏体组织,导致接头力学性能降低。随着温度的升高,热拘束应力场对接头施加的压力先升高后降低,接头的连接质量也先升高后降低。只有加热温度为950℃即稍低于β→α相变温度时,组织分布最均匀,等轴α相晶粒最明显,且原子扩散更充分,应力场对接头施加的压力最高,接头力学性能最好。经650℃/3 h退火热处理后,发生了α→β相变,晶格的畸变程度降低,晶粒细化。TSCB接头残余应力状态由拉应力转变为压应力。残余应力显著降低,应力得到释放,从而提高了TSCB接头的力学性能,解决了TSCB接头塑性较低的问题。

电子束功率对TC4合金刚性拘束热自压连接、接头组织和力学性能的影响

以电子束为热源,采用不同的束流功率对TC4钛合金进行刚性拘束热自压连接,测试分析了连接接头界面焊合质量、组织和力学性能.同时,在实验基础上对刚性拘束热自压连接热应力应变过程进行有限元数值分析,实验研究和数值模拟相结合分析了束流功率对连接接头界面焊合质量以及组织和性能的影响规律.结果表明,束流功率增加,加热温度、高温区停留时间、高温区体积以及界面金属压缩塑性变形随之增加,促进界面两侧原子扩散,界面焊合质量提高.束流功率显著影响连接接头组织,小束流功率加热时能获得组织均匀的连接接头,大束流功率加热时,界面加热区产生针状a相,且a/a相界取向差主要位于59.85°附近,呈现出在同一b相晶粒内部产生的特点.连接接头的力学性能受界面焊合率和加热区组织共同影响,束流较小时,界面未焊合缺陷多,结合强度低;束流较大时,加热区发生显著组织转变,晶粒粗大,接头塑性差.束流功率为330 W时,接头组织均匀且界面焊合质量好,获得综合力学性能优异的连接接头.

加热时间对钛合金热自压连接接头组织和性能的影响

对不同加热时间下获得的钛合金刚性拘束热自压连接接头进行了连接界面的光学显微镜观察,背散射电子衍射组织分析和接头拉伸力学性能测试,分析了加热时间对连接接头界面缺陷、组织和力学性能的影响。同时,利用热弹塑性有限元模型分析了连接中热应力应变演变过程,阐明了加热时间对连接接头界面焊合质量、组织和力学性能影响的原因。结果表明:在加热峰值温度相当的情况下,随加热时间增加,界面金属高温存在时间和受压应力作用时间以及横向压缩塑性变形增加,促进界面两侧原子扩散,界面未焊合缺陷减少,接头综合力学性能提高。加热时间至300s以上时,可以获得界面焊合质量好,组织均匀,综合力学性能优异的固相连接接头。

钛合金刚性拘束热自压连接及接头组织与力学性能

提出了一种新的固相连接方法——刚性拘束热自压连接技术,基本原理是:在无外力作用的条件下,利用集中热源非熔化局部加热刚性拘束的待连接材料,形成热弹塑性应力应变场,对连接处热塑性状态金属产生自挤压,实现扩散和固相连接。在真空条件下,利用电子束热源对TC4进行了刚性拘束热自压连接,验证了刚性拘束热自压连接的可行性,并分析了连接温度对刚性拘束热自压连接的影响。结果表明:热自压连接方法原理可行,加热温度显著影响钛合金接头的组织和性能,在TC4合金相变点以下温度加热时,接头组织均匀,综合力学性能优异。

TC4钛合金刚性拘束热自压扩散连接接头疲劳性能分析

利用电子束热源非熔化加热对TC4钛合金进行了刚性拘束热自压扩散连接。通过对不同应力水平下连接接头的疲劳寿命进行测试,绘制了中值疲劳寿命S-N曲线,并结合疲劳断口扫描电镜观察和红外热成像原位观察对连接接头的疲劳性能以及缺陷对连接接头疲劳性能的影响进行了分析。结果表明:TC4钛合金刚性拘束热自压扩散连接接头界面未焊合缺陷易成为疲劳裂纹源,缩短疲劳裂纹萌生的时间,导致接头的总疲劳循环寿命下降,接头疲劳性能相比母材下降。加热时间延长,界面未焊合缺陷减少,连接接头的疲劳性能提高。

TC4钛合金局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接与机理分析

提出了一种新型扩散连接方法——局部感应加热刚性拘束热自压扩散(TSCB)。利用TC4板材进行了实验,验证了局部感应加热刚性拘束热自压扩散方法的可行性。在实验基础上建立了感应加热刚性拘束热自压扩散过程热应力应变有限元分析模型,揭示了钛合金局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接机理。实验结果表明,感应加热刚性拘束热自压扩散原理合理,接头显微组织均匀,综合力学性能较好。热应力应变过程有限元数值分析表明,在刚性拘束的待连接材料对接区域进行局部感应加热时,界面附近形成热拘束应力应变场,对界面处高温热塑性状态金属进行热挤压,促进界面两侧原子扩散,最终实现了固相连接。

Effect of heating time on bonding interface, atom diffusion and mechanical properties of dissimilar titanium joints produced by thermal self-compressing bonding

Solid-state bonding between pure titanium and Ti6Al4V(TC4)alloy was conducted by a new bonding method named as rigid restraint thermal self-compressing bonding.Effects of heating time on bonding interface,atom diffusion and mechanical properties of the joints were studied.Results show that atom diffusion between pure titanium and TC4 alloy significantly takes place during bonding.The diffusion depths of Al and V in pure titanium side are increased with increasing heating time.Due to the enhancement of atom diffusion,bond quality of the bonding interface is improved along with the increase of heating time.The heating time seems to have little effect on microhardness distribution across the joint.However,the tensile strength and ductility of the joint have close relation to heating time.Prolonging heating time can improve the tensile strength and ductility of the joint,especially the latter.When the heating time increases to 450 s,solid-state joint with good combination of strength and ductility is attained.