序言

鈦合金具有密度低、強度大、比強度高、耐腐蝕性好等優點，被廣泛應用于航空、航天、船舶等領域[1]。TA19鈦合金作為一(yi)種近α型鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)，與美國的(de)Ti-6242鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)相近，其名義成(cheng)分(fen)為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0。1Si[2]，具有(you)強度高、韌性好及(ji)優良的(de)抗蠕變性能(neng)[3]，已成(cheng)功應用于航空發動機的(de)壓氣機盤(pan)和機閘等(deng)部(bu)件[4]。目前國內外科研工作者采用了(le)鎢極氬(ya)弧焊(han)(han)(han)、電子束焊(han)(han)(han)等(deng)熔(rong)化(hua)焊(han)(han)(han)方法進行(xing)了(le)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)的(de)試驗研究(jiu)[5-7]，實現了(le)焊(han)(han)(han)接成(cheng)形(xing)，然而采用熔(rong)化(hua)焊(han)(han)(han)工藝方法焊(han)(han)(han)接TA19鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)會存在焊(han)(han)(han)縫組織粗大、焊(han)(han)(han)后變形(xing)及(ji)高殘余(yu)應力等(deng)焊(han)(han)(han)接缺陷，嚴(yan)重制約了(le)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)焊(han)(han)(han)接件在航空航天領域的(de)工程應用[7]。

慣(guan)性(xing)(xing)(xing)摩(mo)(mo)擦焊(han)(han)(han)(inertiafrictionwelding，IFW)作(zuo)為(wei)一種先(xian)進的固相連接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)技術(shu)，憑借(jie)其優質(zhi)、高效(xiao)、綠色、節能的工(gong)(gong)藝(yi)特點在(zai)航空、航天(tian)等高技術(shu)領域得到(dao)了(le)(le)(le)廣泛應用[8]。焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)過(guo)程中(zhong)，工(gong)(gong)件在(zai)軸向壓(ya)力(li)作(zuo)用下(xia)(xia)作(zuo)相對摩(mo)(mo)擦運(yun)動，其摩(mo)(mo)擦產生(sheng)的熱量使(shi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)界面金(jin)屬發生(sheng)軟化形(xing)成塑(su)形(xing)變形(xing)層(ceng)，在(zai)頂(ding)鍛力(li)的作(zuo)用下(xia)(xia)形(xing)成焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭[9]。因焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)界面材料處于高溫熱塑(su)性(xing)(xing)(xing)狀態而未(wei)發生(sheng)熔化，避(bi)免(mian)了(le)(le)(le)熔化焊(han)(han)(han)的夾渣、氣孔、裂(lie)紋等焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)缺陷[10]，所得焊(han)(han)(han)縫(feng)組織晶粒細小，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭具有優異的綜合力(li)學性(xing)(xing)(xing)能[11]，已(yi)成為(wei)一些先(xian)進航空發動機(ji)關鍵部件制造的重要工(gong)(gong)藝(yi)方(fang)法(fa)[12]。文中(zhong)采用正交試驗法(fa)，在(zai)不(bu)同焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)參數對TA19鈦合金(jin)進行慣(guan)性(xing)(xing)(xing)摩(mo)(mo)擦焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)試驗研究，對不(bu)同焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)參數下(xia)(xia)的焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭的顯微硬度、室溫及高溫強度等力(li)學性(xing)(xing)(xing)能進行檢測，分(fen)析TA19鈦合金(jin)的慣(guan)性(xing)(xing)(xing)摩(mo)(mo)擦焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)性(xing)(xing)(xing)，并針對優選工(gong)(gong)藝(yi)后的焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭微觀組織進行了(le)(le)(le)分(fen)析。

1、試驗方法

試驗用材料為TA19鈦合金鍛件，工件尺寸(cun)為φ135mm×φ65mm，主要化(hua)學成分如表1所示(shi)(shi)。TA19鈦合金為典型(xing)的雙態組織(zhi)(zhi)，母材組織(zhi)(zhi)包括等軸狀初生α相(xiang)、板(ban)條(tiao)狀次生α相(xiang)和β相(xiang)，其β相(xiang)晶粒尺寸(cun)大約(yue)為30~50μm，如圖(tu)1所示(shi)(shi)。

試(shi)(shi)(shi)驗(yan)用(yong)設備為(wei)(wei)哈爾濱(bin)焊(han)(han)接(jie)(jie)研究(jiu)(jiu)院有(you)限公司自主研發的(de)HSMZ-130型軸/徑(jing)向慣性(xing)摩擦(ca)焊(han)(han)機(ji)(ji)。針對(dui)TA19鈦(tai)合金(jin)工(gong)(gong)件，將初(chu)始轉(zhuan)速和頂鍛壓(ya)力兩個關鍵焊(han)(han)接(jie)(jie)工(gong)(gong)藝參數分(fen)兩水(shui)平進行焊(han)(han)接(jie)(jie)正(zheng)交(jiao)(jiao)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)，研究(jiu)(jiu)焊(han)(han)接(jie)(jie)工(gong)(gong)藝參數對(dui)焊(han)(han)接(jie)(jie)成形(xing)、焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)性(xing)能及(ji)組織(zhi)的(de)影響(xiang)，正(zheng)交(jiao)(jiao)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)的(de)因素水(shui)平見表2，正(zheng)交(jiao)(jiao)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)見表3。利用(yong)顯(xian)(xian)(xian)微硬(ying)(ying)度(du)(du)、常溫(wen)拉(la)伸(shen)等力學性(xing)能檢測(ce)(ce)(ce)方法評估(gu)TA19的(de)慣性(xing)摩擦(ca)工(gong)(gong)藝焊(han)(han)接(jie)(jie)性(xing)。TA19鈦(tai)合金(jin)作為(wei)(wei)航空發動機(ji)(ji)高壓(ya)壓(ya)氣機(ji)(ji)低溫(wen)端鼓筒盤常用(yong)材(cai)料，需(xu)要在(zai)480℃左右的(de)高溫(wen)環境下進行工(gong)(gong)作，為(wei)(wei)檢測(ce)(ce)(ce)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)質量(liang)，需(xu)對(dui)其再進行高溫(wen)拉(la)伸(shen)檢測(ce)(ce)(ce)，并分(fen)析典(dian)型焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)不同(tong)區域(yu)的(de)組織(zhi)類型及(ji)存在(zai)形(xing)態。采用(yong)Q10型顯(xian)(xian)(xian)微硬(ying)(ying)度(du)(du)儀測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)各接(jie)(jie)頭(tou)不同(tong)區域(yu)的(de)顯(xian)(xian)(xian)微硬(ying)(ying)度(du)(du)，加(jia)載力為(wei)(wei)1kg；采用(yong)AG-Xplus250kN型拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)機(ji)(ji)測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)各接(jie)(jie)頭(tou)室溫(wen)及(ji)高溫(wen)強度(du)(du)。利用(yong)GX51金(jin)相顯(xian)(xian)(xian)微鏡觀察典(dian)型接(jie)(jie)頭(tou)顯(xian)(xian)(xian)微組織(zhi)。

2、試驗結果及分析

2.1焊接接頭宏觀形貌

圖2為四種焊(han)(han)接(jie)工藝(yi)參(can)數中較典型(xing)的TA19鈦(tai)(tai)合(he)金慣性摩(mo)(mo)擦(ca)焊(han)(han)接(jie)頭宏觀形貌，從圖3可以觀察到，TA19鈦(tai)(tai)合(he)金摩(mo)(mo)擦(ca)焊(han)(han)接(jie)頭飛(fei)邊(bian)形狀完整，焊(han)(han)接(jie)飛(fei)邊(bian)部分區域有(you)毛刺(ci)出現。但TA19鈦(tai)(tai)合(he)金慣性摩(mo)(mo)擦(ca)焊(han)(han)接(jie)頭飛(fei)邊(bian)發(fa)生了粘連，表面較粗糙。

鈦合金在高溫條件下極易氧化，形成Al₂O₃，TiO₂等氧(yang)化物，會嚴重降低相關部件(jian)的焊接(jie)質量，影響其使用(yong)安全[13]。慣性摩擦焊接(jie)過程中(zhong)，工件(jian)在焊接(jie)壓力作用(yong)下界面處(chu)于封閉狀態(tai)，外(wai)界氣體無法進入界面區(qu)，同時焊接(jie)界面上的熱塑性金(jin)屬及(ji)金(jin)屬氧(yang)化物被擠(ji)出，能夠獲(huo)得高質量的焊接(jie)接(jie)頭。

2.2焊(han)接接頭顯微硬度分析

對焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)進(jin)行顯(xian)微(wei)(wei)硬(ying)(ying)度(du)測(ce)試(shi)(shi)分析，檢(jian)測(ce)位置簡(jian)圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)3所示(shi)。以(yi)焊(han)(han)(han)縫(feng)界面中心(xin)向焊(han)(han)(han)縫(feng)兩側5.6mm范圍內進(jin)行硬(ying)(ying)度(du)測(ce)試(shi)(shi)，其四種(zhong)不(bu)同焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)工藝參數下得到(dao)的(de)接(jie)(jie)頭(tou)顯(xian)微(wei)(wei)硬(ying)(ying)度(du)曲線如圖(tu)(tu)4所示(shi)。圖(tu)(tu)4為的(de)四種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)工藝參數下的(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)顯(xian)微(wei)(wei)硬(ying)(ying)度(du)變化曲線，顯(xian)示(shi)了焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)從焊(han)(han)(han)縫(feng)中心(xin)到(dao)兩側母材的(de)顯(xian)微(wei)(wei)硬(ying)(ying)度(du)變化趨勢。

從(cong)圖5中(zhong)(zhong)可以觀察到，四種接(jie)頭的(de)(de)(de)顯微(wei)(wei)(wei)硬(ying)度(du)(du)變(bian)化趨勢基本保持一致，焊(han)(han)(han)(han)縫中(zhong)(zhong)心(xin)區(qu)(qu)域顯微(wei)(wei)(wei)硬(ying)度(du)(du)最高，隨(sui)著(zhu)距焊(han)(han)(han)(han)縫中(zhong)(zhong)心(xin)距離的(de)(de)(de)增(zeng)加，顯微(wei)(wei)(wei)硬(ying)度(du)(du)逐(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)，顯微(wei)(wei)(wei)硬(ying)度(du)(du)變(bian)化曲線關于焊(han)(han)(han)(han)縫中(zhong)(zhong)心(xin)呈對稱分布。焊(han)(han)(han)(han)縫區(qu)(qu)的(de)(de)(de)高硬(ying)度(du)(du)主(zhu)要(yao)是由于焊(han)(han)(han)(han)縫區(qu)(qu)的(de)(de)(de)快速升(sheng)溫及降(jiang)溫使得焊(han)(han)(han)(han)縫中(zhong)(zhong)心(xin)形(xing)成了細小的(de)(de)(de)再(zai)(zai)結晶組織馬氏體(ti)α'相(xiang)，隨(sui)著(zhu)距焊(han)(han)(han)(han)縫中(zhong)(zhong)心(xin)距離的(de)(de)(de)增(zeng)加，溫度(du)(du)逐(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)，動態(tai)再(zai)(zai)結晶越不充分，馬氏體(ti)α'相(xiang)的(de)(de)(de)數量驟減，顯微(wei)(wei)(wei)硬(ying)度(du)(du)也出現了較大幅度(du)(du)的(de)(de)(de)降(jiang)低(di)。

對比四種(zhong)接(jie)頭(tou)的(de)(de)顯(xian)(xian)微(wei)硬(ying)(ying)度(du)變(bian)化(hua)曲線可知，3號(hao)接(jie)頭(tou)焊(han)(han)縫中心(xin)區(qu)(qu)域顯(xian)(xian)微(wei)硬(ying)(ying)度(du)最高，其(qi)次(ci)是2號(hao)接(jie)頭(tou)，1號(hao)接(jie)頭(tou)焊(han)(han)縫中心(xin)區(qu)(qu)的(de)(de)顯(xian)(xian)微(wei)硬(ying)(ying)度(du)最低(di)。3號(hao)接(jie)頭(tou)焊(han)(han)縫中心(xin)區(qu)(qu)域顯(xian)(xian)微(wei)硬(ying)(ying)度(du)最高主要(yao)(yao)是由于該(gai)接(jie)頭(tou)對應工藝參數的(de)(de)初始(shi)轉速高，能量(liang)輸(shu)入大，等軸的(de)(de)初生(sheng)α相(xiang)(xiang)及板條狀(zhuang)次(ci)生(sheng)α相(xiang)(xiang)充(chong)分溶解到了(le)(le)β相(xiang)(xiang)中，且頂(ding)鍛壓(ya)力低(di)，焊(han)(han)縫中心(xin)保留(liu)了(le)(le)更多的(de)(de)熱(re)塑性金屬(shu)，快速的(de)(de)降溫過程使得過飽和(he)β相(xiang)(xiang)無法進行擴散型(xing)相(xiang)(xiang)變(bian)，只能以切變(bian)的(de)(de)形式轉化(hua)成了(le)(le)大量(liang)的(de)(de)馬氏(shi)體(ti)α'相(xiang)(xiang)而(er)存(cun)在焊(han)(han)縫區(qu)(qu)。4號(hao)接(jie)頭(tou)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)能量(liang)輸(shu)入大，但(dan)(dan)其(qi)頂(ding)鍛壓(ya)力高，焊(han)(han)縫中心(xin)擠出(chu)了(le)(le)過多的(de)(de)熱(re)塑性金屬(shu)，形成了(le)(le)較(jiao)(jiao)大的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)飛(fei)邊，僅有相(xiang)(xiang)對較(jiao)(jiao)少的(de)(de)熱(re)塑性金屬(shu)實現了(le)(le)動(dong)態再結晶過程，因(yin)此焊(han)(han)縫區(qu)(qu)的(de)(de)馬氏(shi)體(ti)α'相(xiang)(xiang)數量(liang)減(jian)少，顯(xian)(xian)微(wei)硬(ying)(ying)度(du)降低(di)。但(dan)(dan)四種(zhong)焊(han)(han)接(jie)工藝參數下的(de)(de)接(jie)頭(tou)焊(han)(han)縫區(qu)(qu)顯(xian)(xian)微(wei)硬(ying)(ying)度(du)都要(yao)(yao)遠高于母材區(qu)(qu)，而(er)且焊(han)(han)縫區(qu)(qu)的(de)(de)晶粒尺寸也更小(xiao)，具有更好的(de)(de)力學性能。

2.3焊(han)接接頭拉伸(shen)性能分析

2.3.1常溫拉伸

四種(zhong)焊接工藝(yi)參數下(xia)的接頭室(shi)溫(wen)拉伸斷后試樣及(ji)檢測結(jie)果分別如圖5和表4所示(shi)。

通過圖5可以發現，四種工藝(yi)參(can)數下的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)拉伸試樣(yang)均(jun)斷裂于(yu)遠離(li)焊(han)(han)縫中(zhong)心(xin)的(de)(de)母(mu)材區，而(er)未出現在(zai)焊(han)(han)縫區或(huo)熱(re)力影響區，說(shuo)明(ming)上(shang)述四種焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)強(qiang)(qiang)度(du)均(jun)高(gao)(gao)于(yu)母(mu)材而(er)使得(de)斷裂位置均(jun)位于(yu)母(mu)材區。主(zhu)要(yao)是由于(yu)焊(han)(han)接(jie)過程中(zhong)焊(han)(han)縫區及(ji)熱(re)力影響區形(xing)成了(le)(le)細(xi)小的(de)(de)再結晶組(zu)織馬氏體α'相，提高(gao)(gao)了(le)(le)焊(han)(han)縫區及(ji)熱(re)力影響區的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)，同時大的(de)(de)頂(ding)鍛(duan)壓力也細(xi)化(hua)了(le)(le)原(yuan)始β晶粒組(zu)織，起到了(le)(le)一定細(xi)晶強(qiang)(qiang)化(hua)作用。因此(ci)，經過慣性摩擦焊(han)(han)接(jie)工藝(yi)焊(han)(han)接(jie)的(de)(de)TA19鈦合金接(jie)頭(tou)抗拉強(qiang)(qiang)度(du)等于(yu)甚至稍(shao)高(gao)(gao)于(yu)母(mu)材區的(de)(de)抗拉強(qiang)(qiang)度(du)。

TA19鈦(tai)(tai)合金(jin)作為航(hang)空發動機(ji)常用材料，其室(shi)溫抗拉強(qiang)度要求(qiu)的標準值Rm=895MPa，而四(si)種接頭的室(shi)溫抗拉強(qiang)度均在900MPa以上。因此，TA19鈦(tai)(tai)合金(jin)的慣性(xing)摩擦焊接質量能夠很好的滿足(zu)航(hang)空發動機(ji)TA19鈦(tai)(tai)合金(jin)轉子部件(jian)對焊接接頭性(xing)能的要求(qiu)。

2.3.2高溫拉伸

航空發動機高壓(ya)壓(ya)氣機轉(zhuan)子部件需要在(zai)高溫、高壓(ya)等(deng)惡劣環境下(xia)工作，其工作溫度一般在(zai)450~550℃范(fan)圍內(nei)[14]，為檢驗TA19鈦合金(jin)(jin)慣性(xing)摩擦焊接頭(tou)的(de)高溫性(xing)能，針對TA19鈦合金(jin)(jin)接頭(tou)進行480℃高溫拉(la)伸試(shi)驗，其拉(la)伸斷裂后試(shi)樣及(ji)檢測結果分(fen)別如圖6和表5所(suo)示。

通過圖6可以觀察到，TA19鈦(tai)合金在480℃高溫條(tiao)件(jian)下的(de)拉(la)(la)伸(shen)斷裂試樣(yang)與常溫拉(la)(la)伸(shen)斷裂試樣(yang)相近均(jun)斷裂于(yu)遠離焊(han)縫中心的(de)母材區，焊(han)縫區均(jun)未(wei)出現明(ming)顯的(de)塑性變形而處于(yu)完好狀態，TA19慣性摩擦焊(han)接頭在480℃條(tiao)件(jian)下仍(reng)具有較高的(de)抗拉(la)(la)強(qiang)度(du)。

TA19鈦合(he)金慣性摩擦焊(han)(han)接(jie)頭(tou)(tou)焊(han)(han)縫區主要由過(guo)飽和β相及(ji)馬氏(shi)體α′相構成，其中馬氏(shi)體α′相對(dui)提(ti)高焊(han)(han)縫區強度(du)起(qi)到了(le)重要作(zuo)用(yong)，同時焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)的(de)快速加熱(re)及(ji)降溫(wen)(wen)過(guo)程也使得(de)焊(han)(han)縫區得(de)到了(le)細小的(de)動態再結晶(jing)晶(jing)粒(li)，起(qi)到了(le)細晶(jing)強化作(zuo)用(yong)。而(er)溫(wen)(wen)度(du)相對(dui)較低的(de)熱(re)力影響(xiang)區也得(de)到了(le)晶(jing)粒(li)細小的(de)β相及(ji)一定數量的(de)馬氏(shi)體α′相，對(dui)提(ti)高熱(re)力影響(xiang)區強度(du)的(de)作(zuo)用(yong)相對(dui)次之(zhi)，通過(guo)對(dui)接(jie)頭(tou)(tou)顯微硬度(du)的(de)檢測(ce)在一定程度(du)上就能夠間接(jie)反映接(jie)頭(tou)(tou)各區域的(de)強度(du)分布情(qing)況(kuang)。

TA19鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金中(zhong)的(de)α相穩(wen)定元(yuan)素Al增(zeng)加(jia)了(le)(le)固溶體中(zhong)原子間的(de)結合(he)力，在提高(gao)(gao)(gao)母材(cai)本(ben)身高(gao)(gao)(gao)溫(wen)強度(du)(du)上(shang)(shang)起(qi)到(dao)了(le)(le)決定性作用，而焊(han)縫區(qu)及(ji)熱力影(ying)響區(qu)的(de)過飽和馬(ma)氏體α′相具有(you)了(le)(le)更高(gao)(gao)(gao)的(de)耐熱性能(neng)，提高(gao)(gao)(gao)了(le)(le)TA19鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金慣性摩擦焊(han)接頭(tou)(tou)的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)強度(du)(du)。此外，中(zhong)性元(yuan)素Zr在起(qi)到(dao)固溶強化作用的(de)基礎上(shang)(shang)，也能(neng)提高(gao)(gao)(gao)TA19鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)性能(neng)。因此，TA19鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金慣性摩擦焊(han)接頭(tou)(tou)在480℃高(gao)(gao)(gao)溫(wen)條件(jian)(jian)下依然能(neng)夠(gou)保證焊(han)接接頭(tou)(tou)的(de)高(gao)(gao)(gao)強度(du)(du)性能(neng)，滿足TA19鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金航空發動機(ji)相關部件(jian)(jian)的(de)服役環境要求。

2.4焊(han)接接頭組織分析

TA19鈦合金作(zuo)為航空發動機(ji)用耐高(gao)(gao)溫結構材料(liao)，需要高(gao)(gao)質量(liang)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭才能(neng)滿足轉(zhuan)子部(bu)件(jian)高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)壓及(ji)高(gao)(gao)轉(zhuan)速的(de)(de)(de)苛刻(ke)條件(jian)要求。通過對焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)(de)(de)初步力(li)學性能(neng)檢測可(ke)知，TA19鈦合金的(de)(de)(de)慣(guan)性摩(mo)擦焊(han)(han)接(jie)頭質量(liang)遠高(gao)(gao)于其它熔化焊(han)(han)方(fang)法，該焊(han)(han)接(jie)工藝(yi)更適合于TA19鈦合金材料(liao)相關(guan)部(bu)件(jian)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)工作(zuo)。因此(ci)，在對接(jie)頭進(jin)行(xing)力(li)學性能(neng)檢測的(de)(de)(de)基(ji)礎上，針(zhen)對工藝(yi)優選后的(de)(de)(de)接(jie)頭微觀組織類(lei)型及(ji)分(fen)布做進(jin)一步分(fen)析。

圖7為TA19鈦合金慣性摩擦焊(han)(han)接(jie)頭組織宏觀形貌，從(cong)圖7中(zhong)能夠觀察(cha)到接(jie)頭四個明顯區域(yu)：焊(han)(han)縫區(WZ)、熱(re)力(li)影響區(TMAZ)、熱(re)影響區(HAZ)、母材(BM)。其接(jie)頭焊(han)(han)縫區熔(rong)合線寬(kuan)約為70μm，單側(ce)熱(re)力(li)影響區寬(kuan)度約為1500μm，單側(ce)熱(re)影區寬(kuan)度約為1000μm。圖中(zhong)1為焊(han)(han)縫區熔(rong)合線。

圖8a為(wei)接(jie)頭焊縫(feng)(feng)(feng)區(qu)組(zu)織。焊縫(feng)(feng)(feng)區(qu)主要由少量沿(yan)β相(xiang)(xiang)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)分布(bu)的(de)沿(yan)晶(jing)(jing)(jing)α相(xiang)(xiang)+α′馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)，焊縫(feng)(feng)(feng)原始(shi)β相(xiang)(xiang)呈(cheng)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺寸在(zai)20~30μm。在(zai)焊接(jie)過程中，焊縫(feng)(feng)(feng)區(qu)溫度應(ying)在(zai)1200℃左右，遠(yuan)高于α→β相(xiang)(xiang)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)溫度，具有hcp晶(jing)(jing)(jing)格的(de)初生α相(xiang)(xiang)和板(ban)條狀(zhuang)次生α相(xiang)(xiang)全部(bu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)成了(le)bcc晶(jing)(jing)(jing)格的(de)β相(xiang)(xiang)，形成粗大(da)的(de)等(deng)軸(zhou)β相(xiang)(xiang)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)，在(zai)隨后壓力作用下，β相(xiang)(xiang)發生流變(bian)(bian)及再結晶(jing)(jing)(jing)，形成如圖8a所(suo)示的(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺寸在(zai)20~30μm的(de)β相(xiang)(xiang)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)。隨著(zhu)焊縫(feng)(feng)(feng)區(qu)的(de)快速冷(leng)卻，等(deng)軸(zhou)β晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)沿(yan)著(zhu)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)析出(chu)了(le)少量的(de)初生α相(xiang)(xiang)，大(da)部(bu)分bcc晶(jing)(jing)(jing)格的(de)β相(xiang)(xiang)無(wu)法進(jin)行擴散(san)型相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)而形成α相(xiang)(xiang)組(zu)織，只能以切變(bian)(bian)的(de)方式轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)為(wei)α′馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)，晶(jing)(jing)(jing)內α′馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)呈(cheng)平行或交錯分布(bu)，焊縫(feng)(feng)(feng)原β相(xiang)(xiang)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)輪廓清晰可(ke)見。

圖8b為接(jie)(jie)頭(tou)熱(re)(re)力(li)(li)影響(xiang)(xiang)區(qu)組(zu)織(zhi)。熱(re)(re)力(li)(li)影響(xiang)(xiang)區(qu)主(zhu)要由變(bian)形(xing)初(chu)(chu)(chu)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)+α′馬(ma)氏(shi)體，可見β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶界(jie)(jie)，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比于焊(han)縫(feng)區(qu)組(zu)織(zhi)特征(zheng)具有顯(xian)著變(bian)化(hua)。焊(han)接(jie)(jie)過程中(zhong)(zhong)，因溫(wen)度(du)(du)(du)最高的(de)(de)(de)(de)焊(han)縫(feng)區(qu)熱(re)(re)量逐漸向兩側(ce)傳導，使得(de)焊(han)縫(feng)區(qu)兩側(ce)母材(cai)溫(wen)度(du)(du)(du)升高，α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)向β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉(zhuan)變(bian)，由于該區(qu)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)低于α→β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)度(du)(du)(du)，部(bu)分初(chu)(chu)(chu)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)被保留下來，在焊(han)接(jie)(jie)壓力(li)(li)作用下經歷(li)了(le)嚴重的(de)(de)(de)(de)塑(su)形(xing)變(bian)形(xing)，α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)被不同程度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)拉長，并沿著摩(mo)擦(ca)方(fang)向呈方(fang)向性條(tiao)(tiao)狀(zhuang)(zhuang)分布特征(zheng)。此外，隨著熱(re)(re)力(li)(li)影響(xiang)(xiang)區(qu)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低，晶粒(li)內部(bu)分別以(yi)擴(kuo)散(san)型及(ji)切變(bian)型相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)方(fang)式析出(chu)次(ci)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)及(ji)α′馬(ma)氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，原始β晶界(jie)(jie)隱約可見。圖8c為焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)熱(re)(re)影響(xiang)(xiang)區(qu)組(zu)織(zhi)。通過對圖8c的(de)(de)(de)(de)觀(guan)察，熱(re)(re)影響(xiang)(xiang)區(qu)組(zu)織(zhi)類型及(ji)存在狀(zhuang)(zhuang)態在焊(han)接(jie)(jie)過程中(zhong)(zhong)未發生(sheng)顯(xian)著變(bian)化(hua)，晶粒(li)尺寸為15~50μm不等。經過焊(han)接(jie)(jie)熱(re)(re)循環的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)，初(chu)(chu)(chu)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)明顯(xian)減(jian)少(shao)，板(ban)條(tiao)(tiao)狀(zhuang)(zhuang)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)厚度(du)(du)(du)及(ji)次(ci)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分布狀(zhuang)(zhuang)態發生(sheng)了(le)一定程度(du)(du)(du)變(bian)化(hua)，部(bu)分晶粒(li)內板(ban)條(tiao)(tiao)狀(zhuang)(zhuang)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)厚度(du)(du)(du)增加，板(ban)條(tiao)(tiao)界(jie)(jie)面變(bian)的(de)(de)(de)(de)模(mo)糊，有可能部(bu)分β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)發生(sheng)α′馬(ma)氏(shi)體轉(zhuan)變(bian)。另外，部(bu)分平行分布的(de)(de)(de)(de)次(ci)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉(zhuan)變(bian)成為交叉(cha)分布。

3、結論

(1)TA19鈦合金具(ju)有(you)良好(hao)的慣性(xing)摩擦焊接(jie)性(xing)，在合理焊接(jie)工藝條件下(xia)能得到高(gao)強度(du)焊接(jie)接(jie)頭。

(2)TA19鈦(tai)合(he)金慣性(xing)摩(mo)擦焊接頭(tou)常(chang)溫(wen)及高(gao)溫(wen)拉(la)伸試驗均斷裂在遠(yuan)離焊縫中心(xin)的(de)母材區。

(3)TA19鈦合(he)金慣性摩擦焊接頭常溫拉伸最高(gao)抗拉強度(du)最高(gao)達969MPa，480℃高(gao)溫拉伸試驗最高(gao)抗拉強度(du)最高(gao)達到了(le)688MPa。

(4)TA19鈦合(he)金慣性摩(mo)擦焊接頭焊縫區(qu)組(zu)織(zhi)由少量初(chu)生α相+馬(ma)氏(shi)體(ti)α′+少量晶界β相；熱力影(ying)響(xiang)區(qu)由變(bian)形初(chu)生α相+馬(ma)氏(shi)體(ti)α′+少量晶界β相；熱影(ying)響(xiang)區(qu)組(zu)織(zhi)與母材組(zu)織(zhi)相近，僅部分板條(tiao)狀β相厚(hou)度增加及(ji)板條(tiao)狀次生α相發(fa)生了交叉分布(bu)。

參考文獻：

[1]Ezugwu E O, Wang Z M. Titanium alloys and their machinability-a review[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997,68(3): 262-274.

[2]魏寶敏, 臺立民. Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高溫鈦合金(jin)的研究進展(zhan)[J]. 特(te)種鑄造及(ji)有色合金(jin), 2013(5): 424-428.

Wei Baomin, Tai Limin. Progress in Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si high temperature titanium alloy[J]. Special Casting & Nonferrous Al-loys, 2013(5): 424-428.

[3]徐建偉, 邊麗虹, 薛 強, 等. 固溶溫(wen)度對(dui)TA19鈦(tai)合金顯微組織和力(li)學性能的(de)影響[J]. 鈦(tai)工業進展, 2015, 32(6): 27-30.

Xu Jianwei, Bian Lihong, Xue Qiang, et al. Effect of solution temperature on microstructure and mechanical properties ofTA19titanium alloy[J]. Titanium Industry Progress, 2015, 32(6): 27 ?30.

[4]Boyer R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science & Engineering A, 1996, 213(1–2):103-114.

[5]Muth T R, Yamamoto Y, Frederick D A, et al. Causal factors of weld porosity in gas tungsten arc welding of powder-metallurgy-produced titanium alloys[J]. Journal of Metals, 2013, 65(5): 643-651.

[6]Martynov V N, Khokhlovskii A S, Sliva A P. Electron-beam welding of thick components of steels, aluminium and titanium al-loys[J]. Welding International, 2011, 25(6): 463-465.

[7]Palanivel R, Dinaharan I, Laubscher RF. Assessment of micro-structure and tensile behavior of continuous drive friction welded titanium tubes[J]. Materials Science & Engineering A, 2017, 687:249-258.

[8]周 軍(jun), 張春波, 杜 淼, 等. 摩擦焊在航空領(ling)域的(de)應用[J]. 焊接, 2017(6): 1-5.

Zhou Jun, Zhang Chunbo, Du Miao, et al. Application of friction welding in aviation[J]. Welding & Joining, 2017(6): 1-5.

[9]Yang Jun, Lou Song, Zhou Yun, et al. The dynamic recrystalliza-tion properties of superalloy GH4169 inertia friction welding joint[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2002, 22(2): 8-11.

[10]Chamanfar A, Jahazi M, Cormier J. A review on inertia and lin-ear friction welding of Ni-based superalloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2015, 46(4): 1639-1669.

[11]張 露(lu), 韓秀峰, 王(wang) 倫. 商用航空(kong)發動(dong)機(ji)盤軸類(lei)轉動(dong)件焊接工藝分析(xi)[J]. 航空(kong)制造技術, 2015, 480(11): 96-98.

Zhang Lu, Han Xiufeng, Wang Lun. Welding process analysis of disk and shaft rotor component of commercial aeroengine[J]. Avi-ation Manufacturing Technology, 2015, 480(11): 96-98.

[12]耿培浩, 秦國梁. 慣(guan)性(xing)摩擦(ca)焊(han)接(jie)技術及其在航空工業領域的應用[J]. 精密成形工程, 2017, 9(5): 73-82.

Geng Peihao, Qin Guoliang. Inertia friction welding technology and its application in aviation industry field[J]. Journal of Net-shape Forming Engineering, 2017, 9(5): 73-82.

[13]宋有朋, 梁文萍, 繆(mou) 強, 等.TA19鈦合金(jin)氧化行(xing)為研究[J]. 熱處理, 2017, 32(2): 10-14.

Song Youpeng, Liang Wenping, Liao Qiang, et al. Study on oxid-ation behavior ofTA19titanium alloy[J]. Heat Treatment, 2017,32(2): 10-14.

[14]Attallah M M, Boonchareon C, Steuwer A, et al. Microstructural and residual stress development due to inertia friction welding in Ti-6246[J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 2012,43(9): 3149-3161.

作者簡介：張春(chun)波，男，1986 年(nian)出生，博士研究生. 主要(yao)從事摩(mo)擦焊接(jie)工藝(yi)及控制系統的研究工作. 已發(fa)表論(lun)文(wen) 10 篇. Email：zhangcbcb@163.com

通訊作者：周 軍，男(nan)，碩士，研究員. Email：mch_zhoujun@126.com