李祚軍, 田 偉, 張?zhí)飩}, 季亞娟, 鐘 燕

（1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

壓氣機整體葉盤是先進航空發(fā)動機的標志性結(jié)構(gòu)形式[1-3]。與傳統(tǒng)的葉片/輪盤分離式結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低氣動損失，減少零件數(shù)量，提高發(fā)動機的工作可靠性。由于技術(shù)優(yōu)勢顯著，整體葉盤已經(jīng)在F414、F119和EJ200等先進航空發(fā)動機的風(fēng)扇及壓氣機中獲得應(yīng)用[4-5]。整體葉盤對材料性能的要求較高，制造難度較大。整體葉盤材料主要有鈦合金和鎳基高溫合金兩類，制造工藝主要有整體鍛造、粉末冶金以及焊接等[6-7]。鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機。葉片和盤緣由于工作溫度較高，需要良好的持久、蠕變和高周疲勞性能；盤心工作溫度相對較低，主要承受離心力，需要具有較高的屈服強度和低周疲勞性能。研制雙性能整體葉盤是為了滿足葉盤不同部位對性能的差異化要求，目前主要研究途徑有兩種，即采用雙合金-雙組織或單合金-雙組織獲得雙性能。單合金-雙組織葉盤易出現(xiàn)力學(xué)性能不連續(xù)問題，且工藝復(fù)雜，制造成本高，我國工程化應(yīng)用還處于起步階段。目前工程上多采用雙合金-雙組織研制整體葉盤，雙合金雙性能葉盤制備的工藝技術(shù)難點在于如何解決兩種合金結(jié)合區(qū)的“弱連接”問題[8]。線性摩擦焊接制造整體葉盤是近年來發(fā)展的一項新技術(shù)，具有材料利用率高、制造成本低，可實現(xiàn)異材焊接，焊縫組織致密、性能優(yōu)良等特點[9-14]。對于異種金屬的焊接，線性摩擦焊表現(xiàn)出不易產(chǎn)生缺陷的優(yōu)勢，已成為航空發(fā)動機葉盤制造的主要技術(shù)[15]。

本研究以航空發(fā)動機壓氣機整體葉盤為應(yīng)用對象，開展TC11鈦合金與TC17鈦合金異材線性摩擦焊接技術(shù)研究，分析焊接接頭組織和力學(xué)性能，進行葉片單元件和整體葉盤實驗件的焊接研究，并完成實驗考核。

1 實驗材料與方法

實驗材料是航空發(fā)動機中常用TC11鈦合金和TC17鈦合金。TC11鈦合金是一種綜合性能良好的雙相熱強鈦合金，通過α + β兩相區(qū)熱變形和α + β熱處理后獲得等軸組織（如圖1（a）所示），具有優(yōu)異的高周疲勞性能和熱強性能，適用于制造在500 ℃以下長期服役的壓氣機葉片等零件。TC17鈦合金是一種富含β穩(wěn)定元素的中高溫用鈦合金，具有高強、高韌、高淬透性的特點，經(jīng)跨β相變點的熱變形和固溶時效熱處理后具有細密的網(wǎng)籃組織（如圖1（b）所示），適用于制造在420 ℃以下長期服役的壓氣機盤等零件。

采用中國航空制造技術(shù)研究院自制的線性摩擦焊接設(shè)備進行組織性能試樣、葉片單元件和整體葉盤實驗件的焊接，主要焊接工藝參數(shù)見表1。焊接后的試樣和實驗件進行退火熱處理，熱處理制度為630 ℃，保溫3.5 h。

表 1 線性摩擦焊接主要工藝參數(shù)Table 1 Main parameters of linear friction welding

熱處理后的焊接試樣進行X射線、熒光滲透及超聲波探傷檢驗，探傷檢驗合格后切取試塊，研究焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察顯微組織，參照GB/T 228—2002測試室溫拉伸性能，參照GB/T 4338—2006測試450 ℃拉伸性能，參照GB/T 2039—1997測試持久極限強度（測試溫度400 ℃和450 ℃，測試時間10 h）。

線性摩擦焊接的葉片單元件在電磁振動臺上進行室溫振動特性實驗和疲勞壽命實驗。線性摩擦焊接的整體葉盤實驗件在立式輪盤實驗器上進行超轉(zhuǎn)實驗和低循環(huán)疲勞實驗，實驗環(huán)境溫度為250 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 線性摩擦焊接接頭組織和性能分析

TC11/TC17異材線性摩擦焊接接頭的宏觀形貌如圖2（a）所示。從圖2（a）中可以看出，接頭可分為五個區(qū)域：TC11母材區(qū)、TC11側(cè)熱力影響區(qū)（TMAZ）、焊合區(qū)（W）、TC17側(cè)熱力影響區(qū)和TC17母材區(qū)。接頭上部和下部的焊縫較寬（約為2 mm），中間較窄（約為1 mm）。

圖2（b）和圖2（c）分別是TC11側(cè)熱力影響區(qū)和TC17側(cè)熱力影響區(qū)的顯微組織。焊接過程中，這兩個區(qū)域的溫度未超過β轉(zhuǎn)變溫度，部分α相發(fā)生回溶，并在摩擦作用下產(chǎn)生明顯的變形。

圖2（d）和圖2（e）是焊合區(qū)的顯微組織形貌。焊接過程中，焊合區(qū)的溫度超過了TC11和TC17鈦合金的β相變溫度，并在摩擦變形的作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成等軸β晶粒，在焊后冷卻和退火熱處理過程中，在β晶界和晶內(nèi)析出了片層α相[14，16]。

TC11母材、TC17母材及TC11/TC17焊接接頭的室溫和400 ℃拉伸性能如表2所示。TC17母材的拉伸強度明顯高于TC11母材的拉伸強度（相差100 MPa以上），焊接接頭的拉伸強度與TC11母材基本相當，并且實驗后發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷裂均產(chǎn)生在遠離焊縫的TC11母材處。TC11母材的拉伸塑性（δ5和Ψ）明顯高于TC17母材的拉伸塑性。焊接接頭的伸長率（δ5）與TC17母材相當，斷面收縮率（Ψ）與TC11母材相當。這是因為伸長率反映了拉伸試樣在整個工作段上的均勻變形程度，伸長率的大小主要受限于均勻變形能力較差的TC17母材；而斷面收縮率反映了拉伸試樣的局部變形程度，試樣的斷裂產(chǎn)生在TC11母材處，因此焊接接頭試樣的斷面收縮率與TC11母材相當。

TC11母材、TC17母材及TC11/TC17焊接接頭在400 ℃和450 ℃下的10 h持久強度極限如表3所示。可以看出，TC17母材的持久強度極限明顯高于TC11母材。焊接接頭的持久強度極限低于TC17母材但略高于TC11母材。實驗后發(fā)現(xiàn)，持久試樣的斷裂均產(chǎn)生在遠離焊縫的TC11母材處。

圖 2 TC11/TC17異材線性摩擦焊接接頭的組織 （a）接頭宏觀組織形貌；（b）TC11側(cè)TMAZ顯微組織；（c）TC17側(cè)TMAZ顯微組織；（d），（e）焊合區(qū)W顯微組織Fig. 2 Microstructure of TC11/TC17 different materials linear friction welding joint （a）microstructure of welded joint；（b）microstructure of TC11 thermal influence zone；（c）microstructure of TC17 thermal influence zone；（d），（e）microstructure of weld zone

表 2 TC11母材、TC17母材及焊接接頭的拉伸性能Table 2 Tensile properties of TC11 base material，TC17 base material and welded joint

2.2 線性摩擦焊接葉片單元件疲勞性能和焊接整體葉盤實驗分析

采用線性摩擦焊研制TC11/TC17異材焊接葉片單元件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。焊接單元件的結(jié)構(gòu)尺寸相同，焊縫位置（H為焊縫距榫頭底部的長度）分為三種，分別為H= 38 mm、H= 43 mm和H= 63 mm，焊縫以下部分（靠近榫頭一側(cè)）為TC17鈦合金，焊縫以上部分（靠近葉尖一側(cè)）為TC11鈦合金。

采用有限元數(shù)值仿真的TC11和TC17葉片單元件的一階相對振動應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力位于葉根R處，葉身中部應(yīng)力較大。對三種焊縫位置的葉片單元件進行一階振動應(yīng)力分布測試和疲勞壽命實驗，每種焊縫位置的單元件均為8件。一階振動應(yīng)力分布測試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果基本一致，最大應(yīng)力位于葉根R處。疲勞壽命實驗中，三種葉片單元件的最大應(yīng)力位置的應(yīng)力值均為600 MPa。在此振動條件下，根據(jù)振動應(yīng)力分布實驗的結(jié)果可知：H= 38 mm單元件的焊縫上的最大應(yīng)力約為522 MPa，H= 43 mm單元件的焊縫上的最大應(yīng)力約為564 MPa，H= 63 mm單元件的焊縫上的最大應(yīng)力約為600 MPa。三種焊縫位置的單元件的疲勞壽命如表4所示。取存活率P= 50%、置信度γ= 95%，誤差限度δmax= 5%，三種單元件的中值疲勞壽命分別為：焊縫位置H= 38 mm為1.501 × 106次；焊縫位置H= 43 mm為0.344 ×106次；焊縫位置H= 63 mm為0.132 × 106次。實驗后對葉片單元件進行熒光滲透檢驗，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋主要產(chǎn)生在葉根R處的最大應(yīng)力區(qū)（TC17鈦合金母材處）和葉身中部的大應(yīng)力區(qū)（TC11鈦合金母材處），裂紋均未產(chǎn)生在焊縫處及熱影響區(qū)。

表 3 TC11母材、TC17母材及焊接接頭的10 h持久性能Table 3 10 h stress rupture properties of TC11 base material，TC17 base material and welded joint

表 4 線性摩擦焊TC11/TC17葉片單元件振動疲勞壽命Table 4 Vibration fatigue life of linear friction welding TC11/TC17 blade test pieces

圖 3 線性摩擦焊TC11/TC17葉片單元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structural diagram of linear friction welding TC11/TC17 blade test pieces

圖 4 葉片單元件一階相對振動應(yīng)力分布示意圖 （a）TC11（左葉盆，右葉背）（b）TC17（左葉盆，右葉背）Fig. 4 First order relative vibration stress distribution diagram of blade test pieces （a）TC11（basin left and back right）；（b）TC17（basin left and back right）

綜合以上實驗結(jié)果可以得出：首先，三種單元件的疲勞裂紋均未產(chǎn)生在焊縫處和熱影響區(qū)，說明焊接質(zhì)量良好。其次，H= 38 mm的單元件焊縫處的振動應(yīng)力最小，其疲勞壽命最高；H= 63 mm的單元件焊縫處的振動應(yīng)力最大，其疲勞壽命最低，這說明焊縫位置對焊縫處的應(yīng)力大小及疲勞壽命有明顯的影響。再次，當焊縫位于單元件的大應(yīng)力區(qū)域時，雖然焊縫及熱影響區(qū)未發(fā)生疲勞裂紋，但是由于改變了葉片單元件的振型和應(yīng)力梯度，因此會在一定程度上降低單元件（母材）的疲勞壽命。

采用優(yōu)化的焊縫位置和焊接工藝，研制線性摩擦焊接TC11/TC17異材整體葉盤，輪盤部分為TC17鈦合金，葉片部分為TC11鈦合金。采用熒光滲透、電渦流和超聲波等方法對焊接整體葉盤進行無損探傷檢驗，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷；采用三坐標測量儀對整體葉盤的尺寸進行檢測，精度符合設(shè)計要求。檢驗后的整體葉盤在輪盤實驗器上進行超轉(zhuǎn)實驗和低循環(huán)疲勞實驗。超轉(zhuǎn)實驗中，整體葉盤的溫度為250 ℃，最高轉(zhuǎn)速達到了設(shè)計轉(zhuǎn)速的115%，超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下保持5 min。低循環(huán)疲勞實驗中，整體葉盤的溫度為250 ℃，最低轉(zhuǎn)速為2000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為設(shè)計轉(zhuǎn)速，共完成了1000次低循環(huán)疲勞實驗。超轉(zhuǎn)實驗和低循環(huán)疲勞實驗后，對整體葉盤關(guān)鍵部位的尺寸進行了檢測，與實驗前相比，殘余變形量 ＜ 0.1%，滿足設(shè)計要求。超轉(zhuǎn)實驗和低循環(huán)疲勞實驗后對整體葉盤進行了熒光滲透檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

3 結(jié)論

（1）TC11/TC17異材線性摩擦焊接接頭由TC11合金母材區(qū)、TC11側(cè)熱力影響區(qū)（TMAZ）、焊合區(qū)（W）、TC17側(cè)熱力影響區(qū)和TC17合金母材區(qū)五個典型區(qū)域組成。

（2）TC11/TC17焊接接頭的室溫和400 ℃拉伸強度（σb、σ0.2）與TC11母材基本相當，焊接接頭的伸長率（δ5）與TC17母材相當，斷面收縮率（Ψ）與TC11母材相當；TC11/TC17焊接接頭在400 ℃和450 ℃下的持久強度極限低于TC17母材但略高于TC11母材。

（3）最大應(yīng)力為600 MPa的條件下，三種焊縫位置的TC11/TC17異材線性摩擦焊接葉片單元件的中值疲勞壽命分別為1.501 × 106次、0.344 ×106次、和0.132 × 106次，疲勞裂紋均未產(chǎn)生在焊縫處及熱影響區(qū)。

（4）線性摩擦焊接TC11/TC17異材整體葉盤通過了115%的超轉(zhuǎn)實驗和1000次低循環(huán)疲勞實驗，實驗結(jié)果滿足要求。