張傳臣，張?zhí)飩}(cāng)，季亞娟，黃繼華

(1 北京航空制造工程研究所 航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024； 2 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

?

線性摩擦焊接頭形成過(guò)程及機(jī)理

張傳臣1，張?zhí)飩}(cāng)1，季亞娟1，黃繼華2

(1 北京航空制造工程研究所 航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024； 2 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

分析了異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊接頭焊合線近域組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合飛邊形貌及組織特點(diǎn)，探討了線性摩擦焊接頭的形成機(jī)理。結(jié)果表明，在線性摩擦焊接過(guò)程中摩擦界面溫度超過(guò)鈦合金基體材料相變點(diǎn)，焊后摩擦界面兩側(cè)均有高溫塑性層殘留并發(fā)生再結(jié)晶，焊縫區(qū)為完全再結(jié)晶組織，TC11側(cè)焊縫區(qū)為細(xì)小針狀組織，TC17側(cè)焊縫區(qū)為亞穩(wěn)態(tài)β組織。異質(zhì)鈦合金線性摩擦接頭形成機(jī)理研究表明，在線性摩擦焊接過(guò)程中以及焊后摩擦界面始終存在，界面兩側(cè)的高溫黏塑性金屬?zèng)]有發(fā)生機(jī)械混合，界面兩側(cè)原子發(fā)生了擴(kuò)散遷移現(xiàn)象，在接頭結(jié)合界面處形成擴(kuò)散過(guò)渡區(qū)。摩擦焊通過(guò)擴(kuò)散與再結(jié)晶的共同作用形成焊接接頭。

線性摩擦焊；界面；形成機(jī)理；擴(kuò)散

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，其推重比是影響飛機(jī)機(jī)動(dòng)性能的關(guān)鍵因素，減重是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的一個(gè)重要途徑?！罢w葉盤(pán)”結(jié)構(gòu)是提高推重比的關(guān)鍵件之一，這種結(jié)構(gòu)無(wú)需榫頭、榫槽，盤(pán)的輪緣徑向高度、厚度及葉片原榫頭部位尺寸均明顯減少，減重效果顯著，且結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)化[1-3]。線性摩擦焊(Linear Friction Welding, LFW)是整體葉盤(pán)的一種新型焊接方法，由于其焊接接頭質(zhì)量高、再現(xiàn)性好、焊接效率高，還可以對(duì)損壞的單個(gè)葉片進(jìn)行修理，已成為焊接高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)最優(yōu)的焊接方法之一[4-8]。目前，國(guó)外的相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商已成功將線性摩擦焊技術(shù)用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪。

線性摩擦焊焊接過(guò)程中，移動(dòng)工件在液壓力作用下穩(wěn)步向振動(dòng)工件靠近，當(dāng)兩工件接觸后，在摩擦壓力作用下，摩擦界面上的凸起部分首先發(fā)生摩擦、黏結(jié)與剪切，并迅速產(chǎn)生大量摩擦熱。隨著摩擦的繼續(xù)，實(shí)際接觸面積進(jìn)一步增大，摩擦力迅速升高，摩擦界面溫度也隨之快速上升，在熱激活作用下，界面近域的高溫黏塑性金屬中的組元發(fā)生快速擴(kuò)散、遷移。同時(shí)在摩擦壓力作用下，摩擦界面處的高溫黏塑性金屬被擠出界面形成飛邊，試件縮短量逐漸增大。當(dāng)摩擦界面的溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡以后，縮短量均勻變化，界面溫度不再升高。在頂鍛過(guò)程中，焊合區(qū)原子通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶，使兩側(cè)金屬牢固焊接在一起，從而完成整個(gè)焊接過(guò)程[9-15]。

但是，對(duì)于線性摩擦焊接頭的形成機(jī)理缺乏全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，缺少微觀機(jī)理的數(shù)據(jù)支撐，而研究接頭的形成機(jī)理對(duì)指導(dǎo)實(shí)際焊接生產(chǎn)，改善接頭組織與性能具有重要理論指導(dǎo)意義。

本工作以航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙性能盤(pán)常用材料TC11和TC17異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊接頭為對(duì)象，研究線性摩擦焊接頭的形成過(guò)程及機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)中TC11鈦合金組織為等軸的α和針狀(α+β)，如圖1所示。TC17鈦合金組織為雙態(tài)組織，由等軸α+網(wǎng)籃的(α+β)組成，如圖2所示。

TC11和TC17試件摩擦面的尺寸均為75mm×20mm，焊接實(shí)驗(yàn)在北京航空制造工程研究所研制的LFW-1型線性摩擦焊機(jī)上進(jìn)行。

圖1 TC11母材組織形貌Fig.1 Micrograph of TC11 base metal

圖2 TC17母材組織形貌Fig.2 Micrograph of TC17 base metal

圖3為線性摩擦焊原理示意圖，焊后施加頂鍛力。主要焊接參數(shù)為振幅4.2mm，摩擦?xí)r間5s，摩擦壓力60MPa，頻率30Hz。

圖3 線性摩擦焊原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of LFW

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

焊后試樣宏觀形貌如圖4所示，焊縫結(jié)合界面邊緣處形成了大量飛邊。

圖4 接頭宏觀形貌Fig.4 Macrograph of the joint

圖5為振動(dòng)方向一側(cè)飛邊低倍組織形貌。從圖5可以看出，兩側(cè)基體在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的高溫黏塑性金屬在摩擦壓力作用下被一起擠出界面，且在被擠出過(guò)程中，在往復(fù)摩擦壓力作用下高溫黏塑性金屬?zèng)]有發(fā)生完全混合現(xiàn)象，結(jié)合界面清晰可見(jiàn)。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，在飛邊形成過(guò)程中TC11界面產(chǎn)生的飛邊量多于TC17側(cè)。

圖5 TC11+TC17飛邊低倍形貌Fig.5 Macrograph of the flash

圖6為T(mén)C11+TC17接頭形貌圖片，可以看出，結(jié)合界面兩側(cè)分為明顯的三個(gè)區(qū)，焊縫區(qū)(WZ)，熱力影響區(qū)(TMAZ)和母材區(qū)(BM)。

圖6 TC11+TC17接頭形貌Fig.6 Morphology of TC11+TC17 joint

圖7為接頭結(jié)合界面顯微結(jié)構(gòu)圖片，與母材組織相比，界面兩側(cè)焊縫組織均發(fā)生了明顯的再結(jié)晶。TC11由原始的等軸組織變?yōu)榈湫偷尼槧罱M織，TC17側(cè)焊縫形成了亞穩(wěn)態(tài)的β晶粒，且在結(jié)合界面處形成了共生晶粒。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)合界面處存在寬度為5～8μm的組織過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)內(nèi)的組織比焊縫組織更加細(xì)小，為界面近域典型原子擴(kuò)散提供了快速通道[2,3]。

圖8為T(mén)C11+TC17線性摩擦焊接頭飛邊結(jié)合界面高倍顯微結(jié)構(gòu)形貌?？梢钥闯觯诟弑断庐愘|(zhì)鈦合金的飛邊界面依然存在，界面兩側(cè)高溫黏塑性無(wú)明顯的機(jī)械混合現(xiàn)象，從圖8(a)光學(xué)顯微鏡照片中可以發(fā)現(xiàn)金屬在界面處形成了共生晶粒。從圖8(b) SEM照片中可以發(fā)現(xiàn)，在界面結(jié)合處存在較窄的細(xì)小組織過(guò)渡區(qū)。高溫黏塑性金屬在形成過(guò)程中經(jīng)歷了嚴(yán)重的塑性變形，且焊后飛邊組織并不是變形組織，而是再結(jié)晶組織，其顯微結(jié)構(gòu)與焊后接頭結(jié)合界面顯微結(jié)構(gòu)完全相同，結(jié)合界面均沒(méi)有消失，TC11側(cè)為細(xì)小針狀組織，TC17側(cè)為亞穩(wěn)態(tài)β組織，且在結(jié)合界面處均形成了組織過(guò)渡區(qū)，說(shuō)明摩擦焊接頭組織是殘留在摩擦界面處的高溫黏塑性金屬焊后再結(jié)晶形成的。

圖7 TC11+TC17接頭結(jié)合界面顯微結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of TC11+TC17 joint interface

圖8 TC11+TC17接頭飛邊顯微結(jié)構(gòu) (a)光學(xué)顯微鏡照片;(b)掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 Microstructures of TC11+TC17 flash (a)OM;(b)SEM

由于結(jié)合界面處存在組織過(guò)渡區(qū)，初步判斷是由于焊后組元快速擴(kuò)散形成的元素?cái)U(kuò)散過(guò)渡區(qū)。鑒于TC11和TC17基體中合金組元較多，且組元之間在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相互影響，為了盡可能減少組元間的相互作用，并體現(xiàn)摩擦接頭中組元的擴(kuò)散行為，本工作采用組元相對(duì)較少的TC4與TA0進(jìn)行線性摩擦焊，焊后分別急冷和空冷，并對(duì)結(jié)合界面近域典型元素濃度進(jìn)行檢測(cè)，典型元素濃度檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，淬火后結(jié)合界面近域典型元素Al和V的過(guò)渡區(qū)在3μm左右，而空冷接頭結(jié)合界面Al和V的過(guò)渡區(qū)在6μm左右。通過(guò)對(duì)焊后元素過(guò)渡區(qū)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，焊接停止以后，空冷接頭結(jié)合界面近域原子越過(guò)界面快速擴(kuò)散，形成了一定的擴(kuò)散過(guò)渡區(qū)，而淬火接頭由于冷卻速率較快，導(dǎo)致原子擴(kuò)散所需的驅(qū)動(dòng)力快速減小，因此形成的擴(kuò)散過(guò)渡區(qū)較窄。說(shuō)明在異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊結(jié)合界面處的組織過(guò)渡區(qū)為焊后界面原子快速擴(kuò)散形成的擴(kuò)散過(guò)渡區(qū)。

在整個(gè)摩擦焊接過(guò)程中，摩擦界面不斷更新。焊后由于界面溫度較高，且在形成過(guò)程中殘留的少量高溫塑性層經(jīng)歷了嚴(yán)重的塑性變形，原始晶粒破碎，組織被大大細(xì)化，塑性層中的原子被充分激活，原子很容易跨過(guò)界面進(jìn)行擴(kuò)散。圖10為焊后殘留高溫黏塑性金屬結(jié)合界面近域原子擴(kuò)散示意圖。從圖10可以看出，界面兩側(cè)殘留塑性層中的原子越過(guò)界面進(jìn)行互擴(kuò)散。

圖9 TC4+TA0線性摩擦焊結(jié)合界面近域原子濃度分布 (a)焊后淬火;(b)焊后空冷Fig.9 The atomic concentration of TC4+TA0 LFW joint at the interface (a)quenching after welding；(b)air cooling after welding

圖10 結(jié)合界面原子擴(kuò)散示意圖Fig.10 Diffusion sketch map at the bonded interface

焊后接頭各區(qū)分布如圖11所示。異質(zhì)材料焊接時(shí)，原子互擴(kuò)散后，由于界面兩側(cè)基體組元存在濃度差，在結(jié)合界面處形成了明顯的元素?cái)U(kuò)散過(guò)渡區(qū)，且原始摩擦界面不會(huì)消失。由于塑性層經(jīng)歷了嚴(yán)重變形，且在變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的微觀缺陷，焊后界面溫度很高，因此形核率很快，高溫黏塑性金屬完全發(fā)生再結(jié)晶，形成再結(jié)晶區(qū)，即焊縫區(qū)(WZ)。熱力影響區(qū)因變形溫度較低，低于基體材料相變點(diǎn)，其組織主要為變形組織。

圖11 摩擦焊接頭焊后各區(qū)分布示意圖Fig.11 Sketch map of the joint zone after welding

3 結(jié)論

(1)焊后結(jié)合界面處有高溫塑性層殘留，結(jié)合界面兩側(cè)的原子通過(guò)相互擴(kuò)散在結(jié)合界面處形成擴(kuò)散過(guò)渡區(qū)。

(2)線性摩擦焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)為完全再結(jié)晶組織，界面溫度超過(guò)鈦合金基體材料的相變點(diǎn)。

(3)摩擦焊通過(guò)擴(kuò)散與再結(jié)晶的共同作用形成焊接接頭。

[1] VAIRIS A，F(xiàn)ROST M.Modelling the linear friction welding of titanium blocks [J]. Materials Science and Engineering: A，2000，292：8-17.

[2] WANJARA P, JAHAZI M.Linear friction welding of Ti6Al4V：processing，microstructure，and mechanical-property inter-relationships [J]. Metallurgical and Materials Transactions: A， 2005，36(8): 2149-2164.

[3] LANG B，ZHANG T C，LI X H, et al. Microstructural evolution of a TC11 titanium alloy during linear friction welding[J].Material Science，2010，45:6218-6224.

[4] KARADGE M，PREUSS M，LOVESS C, et al. Texture development in Ti-6Al-4V linear friction welds[J].Materials Science and Engineering: A，2007，459:182-191.

[5] OLA O T，OJO O A，WANJARA P，et al. Enhanced resistance to weld cracking by strain-induced rapid solidification during linear friction welding [J]. Philosophical Magazine Letters，2011，91(2)：140-149.

[6] SORINA-MIILLER J，RETTENMAYR M，SCHNEEFELD D，et al. FEM simulation of the linear friction welding of titanium alloys[J].Computer Materials Science，2010，48:749-758.

[7] LI W Y，MA T J，LI J L. Numerical simulation of linear friction welding of titanium alloy: effects of processing parameters[J].Materials and Design，2010，31:1497-1597.

[8] ROTUNDO F，CESCHINI L，MORRI A ,et al．Mechanical and microstructural characterization of 2124Al/25vol%SiCp joints obtained by linear friction welding(LFW)[J].Composites:Part A，2010,41:1028-1037.

[9] 馬鐵軍,楊思乾,張勇,等.TC4線性摩擦焊接頭的力學(xué)性能及組織變化特點(diǎn)[J].焊接學(xué)報(bào),2007,28(10):17-20.

MA Tie-jun,YANG Si-qian,ZHANG Yong,et al.Mechanical properties and microstructure features of linear friction welded TC4 titanium alloy joint[J]. Transactions of the China Welding Institution,2007,28(10)：17-20.

[10] 張傳臣,黃繼華,張?zhí)飩}(cāng),等. 異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊接頭微觀組織與顯微硬度分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33(4):97-100.

ZHANG Chuan-chen,HUANG Ji-hua,ZHANG Tian-cang, et al. Investigation on microstructure and microhardness of linear friction welded joints of dissimilar titanium alloys[J]. Transactions of the China Welding Institution，2012，33(4)：97-100.

[11] 張傳臣，黃繼華，張?zhí)飩}(cāng)，等.振幅對(duì)線性摩擦焊接頭組織及界面原子濃度分布的影響[J].材料工程，2011，(10): 38-41.

ZHANG Chuan-chen,HUANG Ji-hua,ZHANG Tian-cang, et al. Effects of amplitude on joint microstructure and the interfacial atomic concentration distribution of linear friction welding[J]. Journal of Materials Engineering，2011，(10): 38-41.

[12] 張傳臣，黃繼華，張?zhí)飩}(cāng)，等.異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊接頭界面行為研究[J]. 材料工程，2011，(11): 80-84.

ZHANG Chuan-chen,HUANG Ji-hua,ZHANG Tian-cang， et al. The analysis in linear friction welding joint interface behavior of dissimilar titanium alloy[J]. Journal of Materials Engineering，2011，(11): 80-84.

[13] ROMERO J， ATTALLAH M M，PREUSS M，et al. Effect of the forging pressure on the microstructure and residual stress development in Ti-6Al-4V linear friction welds[J]. Acta Materialia，2009，57 (7)：5582-5592.

[14] ATTALLAH M M， PREUSS M， WITHERS P J. Influence of linear friction welding parameters on the residual stress development in Ti-6246[C]//Trends in Welding Research，Proceedings of the 8th International Conference ，Manchester，United Kingdom，2009.751-757.

[15] PREUSS M，QUINTA D，F(xiàn)ONSECA J，et al. Residual stresses in linear friction welded IMI550[J].Journal of Neutron Research，2004，12(1-3)：165-173.

Formation Process and Mechanism of Linear Friction Welding Joint

ZHANG Chuan-chen1，ZHANG Tian-cang1，JI Ya-juan1，HUANG Ji-hua2

(1 Aeronautical Key Laboratory for Welding and Joining Technologies, Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024，China；2 School of Materials Science and Engineering， University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

The microstructure of the joint interface in linear friction welding was analyzed. Combined with the flash pattern and characteristic，the formation mechanism of the joint was discussed. The results show that during linear friction welding, the friction interface temperature exceeds the β-transus temperature of the base metal, a small amount of viscoplastic metal with high temperature is retained at the interface, and the recrystallization occurs in it. After welding, the weld zone is complete recrystallized structure. The side weld zone of TC11 is mainly composed of acicular structure with random distribution and is single β for that of TC17. The formation mechanism of the welded joints shows that during linear friction welding, the friction interface always exists. During LFW, the viscoplastic metal with high temperature is not mixed and the weld joint is formed through the atoms interdiffusion. Under the combined effect of diffusion and recrystallization, the weld joint is formed.

linear friction welding;interface；formation mechanism；diffusion

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.007

TG453+.9

A

1001-4381(2015)11-0039-05

2013-04-23；

2015-03-02

張傳臣(1981-)，男，高級(jí)工程師,博士，主要從事摩擦焊接理論及工藝研究，聯(lián)系地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)朝陽(yáng)路東軍莊1號(hào)北京航空制造工程研究所102室(100024)，E-mail:zhangchuanchen@sohu.com