TC4钛合金惯性摩擦焊接头塑性金属流动行为研究

TC4钛合金薄板的搅拌摩擦焊研究摘要：本文采用搅拌摩擦工艺对航空航天工业应用最广泛的TC4钛合金进行了焊接，设计了用于钛合金搅拌摩擦焊的气体保护装置，确定了合适的搅拌摩擦焊工艺参数。

对其焊缝的成形特点、组织特征和力学性能进行分析。

结果表明，当旋转速度为475rpm、焊接速度为23.5mm/min、搅拌头倾角为3°时，可获得表面成形良好的焊缝；搅拌头在焊接过程中的磨损较为严重。

前言钛合金具有密度小、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀等优异性能，被誉为“太空金属”、“海洋金属”，广泛应用于航空航天、船舶、石油、化工等领域，是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料[1]。

钛合金采用常规熔焊方法焊接时，易出现焊件变形大，接头残余内应力大，组织粗大化，焊缝易产生气孔等缺陷，导致接头的塑性和韧性下降。

因此，对于钛及其合金的焊接宜采用固相连接技术。

搅拌摩擦焊接（Frictiong stir welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（The welding institute，简称TWI）于1991年发明的新型固相焊接技术，已在航空航天、车辆、造船等行业得到了大量成功应用。

在FSW过程中工件不熔化, 无熔焊缺陷，焊缝为致密的锻造组织, 且实现了用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接[2-4]。

该技术已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接，近年来开始向钢、镍基合金和钛合金等高熔点材料转移[5, 6]。

高熔点材料在FSW过程中，搅拌头将经历较高温度和克服更大阻力，要求搅拌头具有良好的高温综合性能。

文中选用镍基高温合金搅拌头，采用自制的气体保护装置对TC4钛合金进行了搅拌摩擦焊连接，研究了TC4钛合金的搅拌摩擦焊工艺。

2试验方法试验选用TC4钛合金板材，轧制退火态，试样尺寸为232mm×75mm×2mm，其主要化学成分如附表所示。

试验在X53K型立式改制的搅拌摩擦焊设备上进行，试验使用了两种搅拌头，其材料为定向凝固镍基高温合金，具有良好的中、高温综合性能及优异的热疲劳性能，搅拌针的形状分别为光面圆柱形和锥形，搅拌头的尺寸如图1所示。

第15卷第4期2008年8月塑性工程学报J OU RNAL OF PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 115　No 14Aug 1　2008TC4钛合金晶粒细化及超塑性研究(西北工业大学材料学院,西安　710072)　王　敏　郭鸿镇摘　要:文章采用形变复合热处理方法对过热组织TC4钛合金进行了组织细化机理及超塑性能研究,结果表明,(α+β)两相区的低温多火次不均匀大变形能增加变形体内的畸变能,提高α和β晶粒的再结晶形核率;提高锻造后的冷却速度能抑制冷却过程中α相在β晶界和晶内的形核和长大,并形成马氏体组织(α′),细针状α′在随后加热锻造时容易破断并形成细小α晶粒;变形后800℃再结晶退火使α相进一步球化,最终形成两相分开度较大的、均匀细小的等轴α+β转变组织,经测定α晶粒直径为2μn ～5μn 。

在最佳工艺条件下,细化后TC4的延伸率可达188117%。

关键词:钛合金;微细化;形变复合热处理;机理中图分类号:T G 14 文献标识码:A 文章编号:100722012(2008)0420155204Study on superplasticity and f ine 2grained of TC4alloyWAN G Min GUO Hong 2zhen(School of Material Science ,Northwestern Polytechnical University ,Xi πan 710072　China )Abstract :Using composite ausform method ,the fine 2grained mechanism of TC4alloy with overheating structure was investigated in the paper.The results show that :The inhomogeneous severe deformation in low temperature zone of (α+β)area can enhance distortion energy of deforming body and increase recrystallizing nucleation rate of α2grain and β2grain.Increasing cooling speed af 2ter forging can restrain nucleation and growth of α2phase on βcrystal boundary ,and form martensite structure (α′).During sub 2sequent forging process ,the fine acicular α′is easy to be broken and to form fine α2grain.After deformation ,recrystallizing an 2nealing of 800℃makes α2phase more sphering and forms fine uniform and equiaxial α+βtransforming structures.The measuredα2grain size is in the range of 2μm ～5μm.In the optimal process parameters ,the elongation of TC4after composite ausform can arrive at 188117%.K ey w ords :titanium ;ultrafine ;composite ausform ;mechanism王　敏　E 2mail :wangmin @nwpu 1edu 1cn作者简介:王　敏,女,1959年生,陕西人,西北工业大学,副教授收稿日期:2007206221;修订日期:2008207204　引　言国产TC4属于(α+β)两相钛合金,兼有α和β钛合金的优点,具有较高的比强度、热强性和较好的综合力学性能,是最为广泛应用的一种钛合金。

钛合金激光焊缝的超塑性变形行为及显微组织程东海;黄继华;林海凡;赵兴科;张华【摘要】通过高温拉伸试验研究Ti-6Al-4V(TC4)合金激光焊缝的纵向超塑性变形行为,采用扫描电镜观察超塑性变形前后焊缝的显微组织.结果表明:TC4钛合金激光焊缝具有良好的超塑性变形能力,在900 ℃、10~(-3) s~(-1)工艺条件下伸长率达到最大值397%;在超塑性变形过程中,原始焊缝的针状马氏体首先转变为片层状的α+β组织,而后片层组织发生再结晶等轴化;随着变形温度升高或应变速率降低,等轴化程度增大.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2010(020)001【总页数】5页(P67-71)【关键词】Ti-6Al-4V合金;激光焊接;超塑变形【作者】程东海;黄继华;林海凡;赵兴科;张华【作者单位】北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083;北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083;北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083;北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083;北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TG456.7TC4钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和高温抗蠕变性能好等特点，已成为航空航天和电力工业中最具潜力的材料。

TC4钛合金在一定的温度和变形速率下具有良好的超塑性能，采用扩散连接/超塑成形组合工艺(DB/SPF)生产飞行器异形件可实现一次整体精密成形且零件质量好，能减轻结构质量，降低生产成本，实现结构设计与制造的灵活性，尤其在多层板结构的制造方面具有很大优越性[1]。

然而，随着航空航天工业的发展，钛合金的扩散连接/超塑成形组合工艺(DB/SPF)也暴露出如下一系列问题和局限性：扩散连接时必须在成形件的不连接部分预先涂敷止焊剂，对后续的超塑成形模具密封性要求很高，且增加工序数。

若涂层厚度不均匀，位置不准还会使结构件外表面产生沟槽。

TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为俞树荣; 邵晨; 何燕妮; 景鹏飞【期刊名称】《《润滑与密封》》【年(卷),期】2019(044)012【总页数】8页(P24-30,36)【关键词】钛合金; 微动磨损; 往复滑动磨损; 过渡区; 磨损机制【作者】俞树荣; 邵晨; 何燕妮; 景鹏飞【作者单位】兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TG115.58; TH117.1微动是指两接触面间微米级振幅的相对运动，往复滑动则是振幅为毫米量级及以上的两接触面相对运动[1-2]。

研究发现，保持其他参数不变，改变位移幅值，在某一位移幅值范围内，磨损系数发生突变，这个磨损系数发生突变的位移幅值范围则称为微动磨损过渡区。

目前对微动磨损过渡区的研究仍存在着一些问题，如微动磨损与往复滑动磨损之间过渡的位移幅值范围，不同学者所得到的数据差异较大。

学者们对不同金属材料的微动磨损过渡区进行了研究，但以钛合金为研究对象的报道不多，导致对钛合金微动磨损过渡区行为特点缺乏了解[3-7]。

钛合金因比强度高，具有良好高温热稳定性、耐腐蚀性及低温性能，在航空航天、石油化工等领域应用广泛。

但钛合金抗磨性差且对微动损伤极为敏感，严重制约了其在工业领域的应用[8-11]。

目前减缓磨损的措施主要有表面技术[12-16]及油脂润滑[17-20]，针对不同磨损机制需要采用不同的减磨措施。

本文作者在以GCr15为配副材料并保持其他参数不变条件下，得到了TC4合金微动磨损过渡区的范围，分析不同状态下摩擦因数演变及磨痕表面形貌特点，研究了磨损机制的变化。

通过对过渡区及钛合金本身摩擦磨损性能的研究，加深了对钛合金微动磨损过渡区的认识，为合理选择减磨措施提供一定科学依据。

1 试验部分1.1 试样制备试验材料为φ24 mm×8 mm的TC4(Ti-6Al-4V)合金(硬度约为HV300)，其主要化学成分如表1所示，摩擦配副材料为φ10 mm的GCr15钢球(硬度约HV680)。

激光选区熔化成形TC4钛合金焊接接头组织与力学性能探究发布时间：2022-10-11T02:15:57.811Z 来源：《科技新时代》2022年第7期作者：冯宝源[导读] 激光选区熔化技术（Selectivelasermelting，SLM）是一种利用激光束熔融粉末凝固成形的增材制造技术，冯宝源中国船舶集团第七一〇研究所湖北省宜昌市 443000摘要：激光选区熔化技术（Selectivelasermelting，SLM）是一种利用激光束熔融粉末凝固成形的增材制造技术，能基于CAD模型，以逐层成形的方式制造零件。

在每层的成形过程中，扫描振镜控制激光束在已铺好粉的表面按照计算的路径进行扫描，使粉末在激光扫描的位置形成熔池并迅速冷却凝固，在完成一层的扫描后，铺粉继续下一层的扫描，直至成形完成，这种离散的成形方式相较于传统的铸造等方式能够成形更为复杂的结构。

随着零件尺寸的不断增大，单台激光器的激光选区熔化设备因扫描振镜、场镜等器件的限制，难以实现大尺寸零件的成形。

而使用双激光甚至多激光的激光选区设备不仅解决了可成形零件在尺寸方面的限制，还因激光器数量的增加提高了成形效率。

基于此，本篇文章对激光选区熔化成形TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能进行研究，以供参考。

关键词：激光选区熔化成形；TC4钛合金；激光焊接头组织；力学性能引言为满足轻量化、整体化的制造要求，水下装备零件逐渐朝精密、复杂、薄壁化和结构性能一体化的方向发展，大量复杂内腔、超薄格栅和悬臂等结构的设计对制造技术提出全新的挑战，采用传统技术方法时遇到了瓶颈。

而近年来飞速发展的增材制造技术为复杂精密构件的制造提供了新途径和方案，激光选区熔化成形被认为是最具发展潜力的增材制造技术，国外已尝试应用于航空发动机喷嘴及飞机结构连接部位。

激光选区熔化技术适用于成形形状复杂、精密度高的小型零件，但受设备尺寸及工艺特点等因素影响，大尺寸零部件较为理想的制造方案是成型后进行拼焊连接。

TC4-DT 钛合金线性摩擦焊接头组织特征及其形成机制郭震国1, 马铁军1*, 李 菊2, 李文亚1, 周 辉1（1．西北工业大学 材料学院 陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室, 西安 710072；2．中国航空制造技术研究院 航空焊接与连接技术航空科技重点实验室, 北京 100024）摘要：研究TC4-DT 损伤容限型钛合金线性摩擦焊(linear friction welding ，LFW)接头的组织特征及形成机制。

利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行表征，利用显微硬度计测试接头的显微硬度分布。

结果表明：接头焊缝区(WZ)发生动态再结晶，焊接过程中WZ 温度超过β转变点，焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α两种相变并析出了大量α′马氏体以及二次层片α；TC4-DT 钛合金母材(BM)组织具有较高的变形抗力，使得接头形成的热力影响区(TMAZ) 较窄。

TMAZ 内组织在强烈的热力耦合作用下拉长变形并破碎，焊后快冷的条件下析出少量α′马氏体及大量二次层片α；毗邻TMAZ 的热影响区(HAZ)基本保留了BM 不同位向的α集束的组织特征，但受热的影响α集束内α/β相界两侧元素相互扩散，层间β消耗，初生α长大；WZ 组织的细晶强化和第二相强化，TMAZ 组织的应变强化和第二相强化，以及HAZ 内α相的长大使得接头上述区域显微硬度均高于BM 。

关键词：TC4-DT ；线性摩擦焊；微观组织；形成机制doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000111中图分类号：TG456.9 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)01-0068-06线性摩擦焊 (linear friction welding ，LFW)可实现非轴对称复杂截面金属构件的固相连接[1-3]，已经成为航空发动机整体叶盘制造与修复的核心技术[4-5]。

目前国内外围绕整体叶盘用航空钛合金(TA19、Ti17等)LFW 开展了大量实验研究[6- 7]。

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能分析刘颖;张传臣;张田仓【摘要】针对飞机用典型的TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头,开展组织及接头的拉伸、冲击和低周疲劳等力学性能测试.结果表明:TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头经过700℃+保温3h的热处理后,接头的室温和高温抗拉强度达到母材的97%以上,室温和低温冲击性能略高于母材,室温低周疲劳性能与母材相当,具有良好的综合力学性能.%The Microstructure, tensile strength, impact property and low-cycle fatigue testing properties were studied for TC4-DT liner friction welded (LFW) joint of the aircraft. Test results show that an excellent properties of weld joint can be obtained after post-weld heat treatment (temperature: 700℃ , longtime: 3h). The room and high tensile strengths of TC4-DT LFW joint can reach more than 97% of TC4-DT base metals, and the impact property of the weld joint is slightly higher than the base metal, the low-cycle fatigue property is close to the TC4-DT base metals.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)022【总页数】4页(P83-86)【关键词】TC4-DT钛合金;线性摩擦焊;力学性能【作者】刘颖;张传臣;张田仓【作者单位】中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室,北京 100024;中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室,北京 100024;中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室,北京 100024【正文语种】中文TC4-DT钛合金是为了满足新一代飞机对长寿命、高损伤容限和良好耐久性的设计需求，在TC4钛合金基础上，通过成分设计优化、纯净化熔炼和β热加工工艺等途径，改善合金损伤容限性能，使其成为具有900MPa强度级别和高断裂韧性的损伤容限型两相钛合金[1]。