tc4钛合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的研究

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1、ResearchonMicrostructureandPropertiesofFrictionStirWeldedJointofTC4TitaniumAlloyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnMaterialsProcessingEngineeringbyXieFeifeiUndertheSupervisionofProf.KeLimingSchoolofAeronauticalManufacturingEngineeringNanchangHangkon

2、gUniversity,Nanchang,ChinaJun,2012摘要钛及其合金具有优异的综合性能和良好的工艺特性，在航空航天工业中得到了广泛应用。用传统的熔焊技术对其焊接时，焊件变形大，易产生气孔或夹杂、组织粗化等缺陷，因此，固相连接技术更适用于钛合金的连接。本课题对2mm厚TC4钛合金板材进行了搅拌摩擦焊接，分析了工艺参数对焊缝成形的影响，确定了最佳焊接工艺参数，深入研究了接头各区域的组织特征与接头的力学性能。研究结果表明：轴肩压入量、搅拌头倾斜角度和旋转速度等工艺参数对焊缝成形具有直接影响，当工艺参数选

3、择不当时，容易产生表面沟槽、孔洞等缺陷。当搅拌头旋转速度为475r/min、焊接速度为23.5mm/min、倾斜角度为3°时，可获得表面成形良好、无缺陷的焊缝。接头形貌呈典型“碗”状结构，可划分为轴肩变形区、搅拌区和热影响区三个区域，未观察到热机械影响区；搅拌区与热影响区之间的分界线在前进侧比较明显，而在返回侧较为模糊，搅拌区底部存在条带状结构。在焊缝的厚度方向上存在温度梯度，靠近焊缝表面的轴肩变形区的峰值温度超过了β相变温度，在冷却过程中发生β→α+β转变，形成了α+β片层结构组织；而搅拌区的温度低于β相变温

4、度，其组织与母材组织相同，即等轴初生α相和转变β相，搅拌区的晶粒比母材要细小。当旋转速度为475r/min、焊接速度为23.5mm/min时，接头平均抗拉强度为940.5MPa，达到母材的92％以上；当旋转速度为600r/min时，接头抗拉强度有所降低，并在接头断口形貌中观察到球状化氧化物。接头显微硬度呈现各层异性，上部的硬度最高，中部和根部的硬度差别不大；焊缝前进侧与返回侧的硬度也存在差异性，主要与两侧金属的塑性流动的状态有关；搅拌头磨损脱落的碎片造成搅拌区出现硬度值异常偏高的现象。真空退火热处理后，TC4钛

5、合金发生了一定程度的软化，显微硬度和抗拉强度均有所下降，其FSW接头形貌也有所变化，并观察到S曲线。FSW接头强度均低于1000MPa，最高抗拉强度达998.2MPa，达同状态母材的90%以上；在焊缝前进侧根部搅拌区与热影响区的交界处存在微观裂纹，在拉力作用下裂纹发生扩展并最终导致接头断裂，从而形成了断口SEM宏观形貌中的“沟槽”；微观裂纹的存在导致接头力学性能下降。关键词：搅拌摩擦焊,TC4钛合金,焊缝成形,接头组织,力学性能IAbstractTitaniumanditsalloyshaveexcellent

6、performanceandtechnologyfeatures,andthathavebeenwidelyappliedintheaerospaceindustry.Theapplicationoffusionweldingtechniquestotitaniumalloysresultedinseveredistortion,formationofporesorinclusions,coarsemicrostructure,thussolid-statejoiningtechnologieswouldapp

7、eartobemoresuitableforjoiningtitaniumalloys.Inthispaper,athicknessof2mmTC4titaniumalloysheetwasjoinedbyfrictionstirwelding.Influenceofprocessparametersonweldappearancewereanalyzed,andtheoptimalweldingparameterswereobtained.Microstructuralfeaturesandmechanica

8、lpropertiesofthejointswereexamined.Theresultsshownthatplungedepthoftheshoulder,tiltangleandrotationspeedofthetoolandotherweldingparametershaveimpactonweldformation.Surfacegrooves,cavitiesandothe