(1.北京科技大學(xué)，北京 100083； 2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

FGH96/GH4169高溫合金慣性摩擦焊熱變形組織及行為分析

王彬1黃繼華1張?zhí)飩}2季亞娟2何勝春2

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083； 2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

建立了FGH96/GH4169慣性摩擦焊接頭組織形成過程的有限元模型,分析了焊縫熱變形組織和飛邊的形成模式。結(jié)果表明，摩擦熱的作用使近摩擦面處母材形成塑性層，塑性層在軸向頂鍛力作用下發(fā)生塑性流動，形成拉長組織并在摩擦面高溫、高壓及高應(yīng)變速率作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，拉長組織邊界消失，再結(jié)晶晶粒呈無序等軸狀。摩擦面金屬沿徑向流動，在邊緣處擠出，其摩擦面延伸側(cè)受拉應(yīng)力作用，最終形成卷曲飛邊并實現(xiàn)自清理作用。

高溫合金慣性摩擦焊熱變形組織

0 序 言

慣性摩擦焊通過高速旋轉(zhuǎn)運動對焊試件間的摩擦作用提供熱源，在摩擦界面及其近區(qū)域金屬達到塑性狀態(tài)后，施加軸向壓力獲得固相連接接頭。其工藝高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保，在汽車、航天以及航空領(lǐng)域，尤其是在高溫合金的連接方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前很多先進航空發(fā)動機公司在高推重比發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子及渦輪部件連接領(lǐng)域都選用慣性摩擦焊作為關(guān)鍵工藝。研究工作者對慣性摩擦焊技術(shù)的接頭微觀結(jié)構(gòu)、溫度應(yīng)力場及材料流動性進行了大量的研究[1-6]。慣性摩擦焊焊縫區(qū)受熱循環(huán)和機械作用影響劇烈，組織變化程度大，晶粒的生長動力學(xué)非常復(fù)雜。最后在焊縫心部形成等軸細晶組織及拉長晶粒，同時塑性金屬在徑向應(yīng)力的作用下沿摩擦面移出形成飛邊，飛邊是慣性摩擦焊的典型宏觀特征，其組織形貌對焊接接頭有重要的影響。

FGH96粉末高溫合金是當(dāng)前制造750 ℃工作溫度下渦輪盤等熱端部件關(guān)鍵材料[7]，GH4169高溫合金是650 ℃工作溫度下航空發(fā)動機渦輪軸的常用材料[8]。文中以航空發(fā)動機整體渦輪轉(zhuǎn)子焊接制造為應(yīng)用目標(biāo)，用慣性摩擦焊技術(shù)得到了FGH96/GH4169異質(zhì)高溫合金接頭，對接頭微觀組織形貌進行分析，建立了焊縫組織形成的數(shù)理模型，解釋了飛邊微觀組織形貌的形成行為，為FGH96/GH4169慣性摩擦焊的應(yīng)用提供了技術(shù)理論參考。

1 試驗材料與方法

試驗用FGH96合金以γ′相為主要強化相，體積分?jǐn)?shù)約占36%，所用另一種材料GH4169合金為沉淀強化型鎳基高溫合金，主要強化為由γ″相、γ′相及δ相。采用MTI MODEL-300BX慣性摩擦焊機對兩種材料進行了慣性摩擦焊連接，焊接面為φ60 mm×40 mm圓環(huán)。焊接工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)動慣量為2 493 kg·cm2，飛輪轉(zhuǎn)數(shù)600～900 r/min，頂鍛壓力12.4～17.9 MPa。

如圖1所示，研究飛邊的形成與材料塑性流動。焊后用CuCl2鹽酸酒精試劑腐蝕拋光后的試樣，在DSX500光學(xué)顯微鏡和Quanta 250掃描電鏡下觀察慣性摩擦焊接頭的組織形貌，進行分析并建立物理模型。

圖1 慣性摩擦焊的數(shù)值模型

應(yīng)用DEFORM軟件建立慣性摩擦焊的三維熱力耦合有限元模型。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 接頭熱變形組織

圖2為FGH96/GH4169高溫合金慣性摩擦焊接頭組織?？梢园l(fā)現(xiàn)，接頭實現(xiàn)良好焊合，界面呈現(xiàn)鋸齒或波浪狀。慣性摩擦焊接過程中，對焊件相對高速旋轉(zhuǎn)摩擦，在摩擦面生成高溫，頂鍛過程產(chǎn)生高壓，摩擦面金屬發(fā)生劇烈的塑性變形，金屬間發(fā)生流動、犁割與擴散等現(xiàn)象。焊后接頭在沿垂直焊縫方向形成基本對稱分布的五個區(qū)域。接頭中心溫度高，壓力大，變形速率快，金屬發(fā)生充分動態(tài)再結(jié)晶，形成等軸細晶區(qū)(WZ)，等軸細晶區(qū)外側(cè)溫度和壓力有所降低，不足以使FGH96合金與GH4169合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而使其在溫度壓力作用下形成拉長組織，可稱為熱機影響區(qū)(TMAZ)，熱機影響區(qū)外側(cè)為母材的初始組織(BM)。

圖2 接頭組織形貌

在慣性摩擦焊過程中飛輪存儲大量轉(zhuǎn)動能量，摩擦?xí)r其機械運動轉(zhuǎn)化為焊接界面的分子熱運動，產(chǎn)生了大量的摩擦熱，高溫作用下近摩擦面的母材形成塑性軟化層。塑性軟化層在頂鍛軸向壓力和摩擦剪切壓力作用下發(fā)生塑性流動，其流動質(zhì)點的速度和方向隨焊接過程不斷發(fā)生變化,其流動形式屬于非穩(wěn)定流場。特別是在摩擦面的邊緣位置，其徑向約束弱，流動金屬在該位置流出摩擦面，如圖3所示,箭頭方向為軟化層的流動方向,最后沿徑向凸出形成飛邊。

2.2 飛邊形貌及行為分析

慣性摩擦焊會在摩擦面邊緣處擠出飛邊，如圖4所示，靠近摩擦面?zhèn)葹榧毦ЫM織，由摩擦面擠出的金屬構(gòu)成，遠離摩擦面?zhèn)葹槔L晶粒，由未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的組織構(gòu)成。飛邊是慣性摩擦焊的典型熱變形結(jié)構(gòu)，且環(huán)形試件后續(xù)加工過程中，內(nèi)飛邊難以清除，常成為影響接頭性能的關(guān)鍵因素，因此研究其形成過程對焊接接頭有重要的影響。

圖3 接頭塑性軟化層的流動

圖4 飛邊組織形貌

為研究慣性摩擦焊接頭飛邊形貌及摩擦面金屬流動，依據(jù)GH4169合金本構(gòu)方程建立有限元模型。本構(gòu)方程通過GLEEBLE模擬試驗建立如式(1)：

(1)

考慮到摩擦界面及其近域材料溫度變化與塑性流動較為劇烈，界面區(qū)域網(wǎng)格采用加密劃分。模擬中，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對發(fā)生畸變的單元進行網(wǎng)格重劃以保證計算精度。同時，由于圓環(huán)結(jié)構(gòu)具有對稱性，采用1/4模型進行計算以減小計算量。

圖5為摩擦焊8.5 s時刻的溫度分布等高線圖，可見溫度場基本以中心對稱，摩擦后在摩擦面處形成了一個高溫區(qū)，溫度梯度沿垂直摩擦面方向變化很快，在平行摩擦面方向形成不同軟化程度的塑性金屬層。此時摩擦產(chǎn)生的熱量與通過飛邊擴展及熱傳遞散失的熱量基本形成動態(tài)準(zhǔn)平衡，界面溫度保持準(zhǔn)穩(wěn)定，表面塑性金屬在頂鍛力作用下不斷擠出，同時新的塑性金屬層持續(xù)生成，厚度基本保持均勻化。

圖6為摩擦焊接8.5 s時刻的軸向應(yīng)力分布等高線圖，可見試件主要承受軸向壓應(yīng)力作用，但在摩擦面延伸部分壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

圖5 8.5 s時刻溫度分布

圖6 8.5 s時刻軸向應(yīng)力分布

摩擦焊過程中，摩擦面上溫度逐漸升高，界面金屬變形抗力減小，金屬的流動速度逐漸增大，摩擦面對稱于中心區(qū)域出現(xiàn)形成流動分界圓，分界圓內(nèi)側(cè)的金屬沿徑向向圓心流動，分界圓外側(cè)的金屬材料沿徑向背離圓心流動，如圖7所示。在頂鍛壓力的作用下，在拘束較弱的表面邊緣位置，金屬不斷被擠出。摩擦面主要承受軸向壓應(yīng)力作用，并且壓應(yīng)力基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，但擠出金屬在摩擦面延伸區(qū)域承受拉應(yīng)力作用，在另一側(cè)則仍受壓應(yīng)力作用。在兩種應(yīng)力共同作用下，擠出金屬向頂鍛壓力反方向卷曲從而形成飛邊。

圖7 8.5 s時刻流動速度矢量分布

2.3 摩擦面金屬流動

為進一步表征摩擦面金屬的流動情況，在摩擦面選取了2點進行分析，點P1與P2分別位于摩擦面徑向焊件中心兩側(cè)的位置。摩擦初期，P1與P2在徑向的位移為0，如圖8a所示。摩擦后期，隨溫度升高、頂鍛力作用及材料變形抗力減小，P1與P2在徑向出現(xiàn)位移，并迅速增大，接近摩擦面邊緣時，位移變慢，P1與P2進入飛邊，如圖8b所示。在拉應(yīng)力作用下開始卷曲運動，從而實現(xiàn)慣性摩擦焊的自清理作用，摩擦面的氧化物等夾雜隨金屬流動被擠出的飛邊帶走。

圖8 慣性摩擦焊過程P1,P2流動位置

為驗證摩擦面金屬的流動情況，采用紫銅絲作為示蹤材料進行了焊接，焊后金屬流動形貌如圖9所示，表面紫銅確實隨金屬流動出現(xiàn)于飛邊處，證實了數(shù)值分析的結(jié)果。

圖9 慣性摩擦焊紫銅絲流動位置

3 結(jié) 論

(1)焊接接頭的微觀組織形貌由焊接面處等軸細晶區(qū)、呈現(xiàn)為拉長晶粒組織的熱機影響區(qū)以及母材區(qū)域組成。

(2)有限元模型顯示摩擦焊過程在垂直摩擦面方向有較大的溫度梯度分布，摩擦面受軸向壓應(yīng)力作用，在邊緣處由于約束弱致使金屬擠出，擠出金屬在摩擦面延伸側(cè)承受拉應(yīng)力作用，最終形成焊接飛邊。

(3)頂鍛過程中摩擦面對稱于中心區(qū)域出現(xiàn)形成流動分界圓，金屬質(zhì)點沿徑向流動進入飛邊，夾雜隨金屬流動產(chǎn)生慣性摩擦焊的自清理作用。

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2016-12-05

TG453

王 彬，1979年出生，博士研究生。主要從事慣性摩擦技術(shù)研究，已發(fā)表論文6篇。