振幅對線性摩擦焊接頭組織及界面原子濃度分布的影響

張傳臣，黃繼華，張?zhí)飩}，季亞娟

（1北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083；2北京航空制造工程研究所，北京100024）

振幅對線性摩擦焊接頭組織及界面原子濃度分布的影響

張傳臣1，黃繼華1，張?zhí)飩}2，季亞娟2

（1北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083；2北京航空制造工程研究所，北京100024）

通過改變振幅對TC11／TC17異質(zhì)鈦合金進(jìn)行了線性摩擦焊及測溫實(shí)驗(yàn)。焊后利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及電子探針分析儀等對飛邊、焊接接頭微觀組織及焊縫界面近域原子濃度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，振幅越大，界面獲得的焊接熱輸入越大，形成的飛邊越大。線性摩擦焊接過程中焊縫組織溫度超過1100℃，超過β相變溫度。飛邊組織發(fā)生明顯的再結(jié)晶，界面依然存在且沒有發(fā)生明顯的機(jī)械混合。焊縫組織為再結(jié)晶組織，再結(jié)晶晶粒尺寸隨振幅的減小而減小，焊縫中心存在明顯的界面，界面處存在擴(kuò)散過渡區(qū)，擴(kuò)散層厚度隨振幅的減小而變窄。

線性摩擦焊；飛邊；顯微組織；再結(jié)晶；擴(kuò)散層

線性摩擦焊（LFW）是使兩焊件產(chǎn)生相對直線往復(fù)摩擦運(yùn)動，在熱－力耦合的作用下獲得固相接頭的一種焊接方法，能在無保護(hù)條件下獲得鈦合金等有色金屬的高質(zhì)量焊接接頭［1－5］。國外已將線性摩擦焊技術(shù)成功運(yùn)用于航空發(fā)動機(jī)整體葉盤制造與維修中［6］。TC11，TC17鈦合金分別是制造航空發(fā)動機(jī)葉片和輪盤的重要材料，國內(nèi)外已有一些關(guān)于TC4鈦合金線性摩擦焊方面的研究報道，Wanjara等［7］，研究了 Ti－6Al－4V線性摩擦焊的工藝、顯微組織和力學(xué)性能的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦頻率為50Hz、振幅2mm、摩擦壓力50MPa、變形量2mm時會產(chǎn)生一個無缺陷的完整焊縫，其焊縫強(qiáng)度超過母材。郎波［8］等研究了TC11鈦合金線性摩擦焊過程中的組織變化，結(jié)果表明界面處溫度超過β相變點(diǎn)溫度，在線性摩擦焊過程中焊縫組織完全發(fā)生相變。馬鐵軍［4］等研究了TC4線性摩擦焊接頭的力學(xué)性能及組織變化特點(diǎn)，TC4線性摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、斷后伸長率及斷面收縮率值均高于母材。

對于TC11和TC17異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊的實(shí)驗(yàn)研究鮮見報道。本工作對異質(zhì)材料TC11，TC17線性摩擦焊接頭組織特點(diǎn)、焊后界面兩側(cè)典型原子的濃度分布及穩(wěn)定摩擦階段摩擦界面溫度進(jìn)行了測量和實(shí)驗(yàn)分析，這對研究異質(zhì)材料TC11／TC17的受焊行為具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本工作中TC11鈦合金是一種性能良好的α－β型鈦合金，名義成分為 Ti－6.5Al－3.5Mo－1.5Zr－0.3Si，在500℃以下有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，并具有較高室溫強(qiáng)度，其母材組織為等軸的α和片層α＋β組成，如圖1所示，這種組織是合金在（α＋β）區(qū)內(nèi)，低于相變點(diǎn)30～50℃的溫度進(jìn)行變形時所獲得的。TC17鈦合金是一種富β相的 α－β型鈦合金，名義成分為 Ti－4Mo－4Cr 5Al－2Sn－2Zr，其母材組織為雙態(tài)組織，由等軸α＋網(wǎng)籃的（α＋β）組成，如圖2所示。

TC11和TC17試件尺寸均為130mm×75mm×20mm，在LFW－20T型線性摩擦焊機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)如表1所示，本工作主要研究振幅對界面近域組織結(jié)構(gòu)的影響。

表1 線性摩擦焊接工藝參數(shù)Table 1 The welding parameters of LFW

圖3為線性摩擦焊原理示意圖，焊后施加頂鍛力。實(shí)驗(yàn)所用測溫儀為YOKOGAWA－DX2000新型網(wǎng)絡(luò)無紙記錄儀，測量周期為125ms，熱電偶絲材料為NiAl和NiCr。

圖3 線性摩擦焊原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of LFW

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 線性摩擦焊接頭溫度實(shí)驗(yàn)分析

在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定縮短量，使熱電偶絲測溫點(diǎn)位置在縮短量范圍之內(nèi)，確保測到焊縫界面近域的溫度，因摩擦?xí)r兩試件緊密接觸，焊縫界面兩側(cè)溫度值相差不大，所以選在振動側(cè)TC11測溫，測溫結(jié)果如圖4所示。經(jīng)焊后打磨觀察發(fā)現(xiàn)正好位于焊縫處。從測溫結(jié)果可以看出，摩擦界面最高溫度超過1100℃，超過兩基體材料的相變溫度（TC11相變溫度1000℃，TC17相變溫度890℃），因此可以斷定在摩擦焊接過程中，焊縫界面附近組織發(fā)生了相變再結(jié)晶。

圖4 測溫結(jié)果Fig.4 The result of thermometric

2.2 接頭宏觀形貌與飛邊組織分析

焊后試樣宏觀形貌如圖5所示，從圖5可以發(fā)現(xiàn)，從1＃試樣到3＃試樣，振幅從4.2mm降低到2.5mm，焊后形成的飛邊也逐漸減小。振幅為2.5mm的3＃試樣飛邊量很小，在TC17側(cè)幾乎沒有形成明顯的飛邊，僅在TC11側(cè)產(chǎn)生少量的飛邊。這是因?yàn)榫€性摩擦焊界面熱輸入量（PI）與振幅a、頻率f、摩擦壓力P及橫截面積A有如下函數(shù)關(guān)系［2］：

由式（1）可見，振幅與界面熱輸入量成正比例關(guān)系，振幅越大，界面獲得的熱輸入量越多，界面產(chǎn)生個高溫黏塑性金屬越多，在摩擦壓力作用下被擠出界面形成的飛邊也越大，導(dǎo)致試件的縮短量也越大，試件焊后縮短量與振幅的關(guān)系如圖6所示，從圖6可以看出，在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，縮短量的變化與振幅的增加近似呈線性關(guān)系。

飛邊典型組織照片如圖7所示。從圖7中可以看出，焊后飛邊依然存在明顯的界面，說明飛邊在形成的過程中沒有發(fā)生大的機(jī)械混合，且飛邊組織在焊接過程中發(fā)生了明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，形成等軸晶粒，且界面處晶粒有穿過界面長大的現(xiàn)象。飛邊TC11側(cè)晶粒內(nèi)部形成針狀組織，TC17側(cè)組織更細(xì)小，近似為毛刺狀組織，這是由于焊后飛邊在空氣中快速冷卻，組織來不及長大，這時的組織基本都處于亞穩(wěn)態(tài)。

圖7 飛邊組織Fig.7 Microstructure of the flash

2.3 焊接接頭界面組織分析

圖8～10分別是振幅為4.2，3.3，2.5mm 下焊接接頭界面近域的微觀組織。從圖可以看出，焊縫中心均發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，而且隨著振幅的減小，再結(jié)晶晶粒尺寸減小，通過截線法測得振幅4.2，3.3，2.5mm焊縫的平均晶粒尺寸為24.4，22.8，18.3μm。工藝參數(shù)與再結(jié)晶晶粒尺寸有如下函數(shù)關(guān)系［7］：

式中Z＝ε·exp（Q／RT），c為常數(shù)0.17，而

圖8 振幅4.2mm接頭組織Fig.8 Microstructure of welded joint at 4.2mm oscillating amplitude

從式（2）可以看出，隨著振幅的增加，應(yīng)變速率ε·增加，導(dǎo)致Z增加，動態(tài)再結(jié)晶晶粒反而減小，但是根據(jù)式（1），振幅增加，界面獲得的熱輸入量增加，界面溫度升高，再結(jié)晶晶粒尺寸增大。因此可以看出，應(yīng)變速率和界面溫度是相互制約的過程，如果界面溫度影響占主導(dǎo)地位，那么隨著振幅的增大，再結(jié)晶晶粒尺寸增大，如果應(yīng)變速率的影響占主導(dǎo)地位，那么隨著振幅的增加再結(jié)晶晶粒尺寸將減少。通過實(shí)驗(yàn)推測，當(dāng)振幅小于某一值時界面溫度影響占主導(dǎo)，當(dāng)大于這一值后應(yīng)變速率占主導(dǎo)地位，再增大振幅，界面溫度將不再升高，反而會降低，再結(jié)晶晶粒尺寸將會減小。

與母材組織相比，焊縫組織發(fā)生了明顯的變化，TC11側(cè)由原始的等軸組織變成典型的魏氏組織，TC17側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榧?xì)小的毛刺狀的亞穩(wěn)態(tài)組織，這主要是由于線性摩擦焊接過程中界面溫度超過兩基體材料的相變溫度（見圖4），焊縫組織完全發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏摩孪?。焊后界面溫度快速下降，組織轉(zhuǎn)變不充分，以亞穩(wěn)態(tài)的形式保留到室溫。

從圖10振幅為2.5mm焊縫組織照片中可以看出，在焊縫界面處存在沒有完全焊合的區(qū)域，這是由于在線性摩擦焊接過程中，界面獲得的熱量不足，兩側(cè)基體材料沒有完全達(dá)到黏塑性狀態(tài)，導(dǎo)致界面缺陷存在。

從圖8～10可以看出，異質(zhì)材料焊后界面依然存在，界面并不平整，仔細(xì)觀察界面處可以發(fā)現(xiàn)存在明顯的擴(kuò)散過渡區(qū)，寬度在5～8μm之間，過渡區(qū)內(nèi)的組織與界面近似垂直，組織細(xì)小，為焊后組織中典型原子擴(kuò)散提供快速擴(kuò)散通道，焊縫界面兩側(cè)典型原子濃度隨振幅的變化電子探針檢測結(jié)果如圖11所示。對比圖11（a）～（c）可以發(fā)現(xiàn)，不同振幅下同一原子的擴(kuò)散距離不同（如：Al，Cr，Mo等），振幅4.2mm 焊縫界面處典型原子擴(kuò)散距離最大，振幅2.5mm焊縫界面處原子擴(kuò)散距離最小。原因是振幅越大（本次實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)），界面溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T的關(guān)系服從阿累尼烏斯定律：

圖11 不同振幅焊縫界面典型原子濃度變化電子探針檢測結(jié)果 （a）4.2mm ；（b）3.3mm；（c）2.5mmFig.11 Electron probe microanalysis line scans across interface near centre for typical atom concentration at different oscillating amplitude （a）4.2mm；（b）3.3mm ；（c）2.5mm

溫度越高，原子的運(yùn)動能量越高，擴(kuò)散系數(shù)越大。線性摩擦焊過程中界面原子被充分激活，隨著變形量的增加，熱變形的金屬內(nèi)位錯密度快速上升［9］，組織被明顯細(xì)化，變形金屬內(nèi)的點(diǎn)、線、面缺陷急劇上升，為界面近域的典型原子的快速擴(kuò)散提高便利通道。

3 結(jié)論

（1）線性摩擦焊焊縫溫度超過1100℃，超過β的相變溫度，焊縫組織在焊接過程中發(fā)生相變。

（2）與母材組織相比，焊縫組織在熱力耦合作用下被明顯細(xì)化，并發(fā)生了明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，振幅越大，再結(jié)晶晶粒尺寸越大。

（3）焊后界面依然存在，界面處存在成分過渡區(qū)，并隨振幅的增大，典型原子的擴(kuò)散距離增大。

［1］ 馬鐵軍，張學(xué)軍，楊思乾，等.TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的沖擊韌性及斷口特征［J］.航空材料學(xué)報，2007，27（6）：40－44.

［2］ VAIRIS A，F(xiàn)ROST M.Modelling the linear friction welding of titanium blocks［J］.Materials Science and Engineering，2000，A292（1）：8－17.

［3］ VAIRIS A，F(xiàn)ROST M.High frequency linear friction welding of a titanium alloy［J］.Wear，1998，217（1）：117－131.

［4］ 馬鐵軍，楊思乾，張勇，等.TC4線性摩擦焊接頭的力學(xué)性能及組織變化特點(diǎn)［J］.焊接學(xué)報，2007，28（10）：17－21.

［5］ 馬鐵軍，楊思乾，張勇，等.LC9超硬鋁線性摩擦焊研究［J］.熱加工工藝，2007，36（11）：25－26.

［6］ 張?zhí)飩}，韋依，周夢慰，等.線性摩擦焊接在整體葉盤制造中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2004，（11）：56－57.

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［9］ 毛衛(wèi)民，趙新兵.金屬的再結(jié)晶與晶粒長大［M］.北京：北京工業(yè)出版社，1996.

Effects of Amplitude on Joint Microstructure and the Interfacial Atomic Concentration Distribution of Linear Friction Welding

ZHANG Chuan－chen1，HUANG Ji－h(huán)ua1，ZHANG Tian－cang2，JI Ya－juan2
（1School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

With changing amplitude，the dissimilar titanium alloys of TC11and TC17were welded by linear friction welding and the welded joint temperature was measured.The microstructure of the joints and flash were examined using an optical microscope（OPM）and a scanning electron microscope（SEM）.Electron probe microanalysis（EPMA）was also carried out to determine the elemental diffusion in and around the interface region.The results showed that with increasing amplitude，the weld heat input increased and the flash length increased.During the linear friction welding，the temperature around the interface exceeded 1100℃，aboveβtransition temperature.Dynamic recrystallization is operative on weld center and the flash during linear friction welding.There still exists an evident interface after welding and no mechanical mixture was found at the interface.Compared to the parent material，the microstructure in the weld and flash center was refined.The size of the recrystal grain on both sides of the welded joints decreased with increasing amplitude.Elemental diffusion layers exist on the interface and with the amplitude increased the thickness of the diffusion layer become wider.

linear friction welding；flash；microstructure；recrystallization；diffusion layer

TG453＋.9

A

1001－4381（2011）10－0038－04

2011－03－09；

2011－07－07

張傳臣（1981－），男，博士研究生，主要從事摩擦焊接理論研究工作，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號北京科技大學(xué)材料學(xué)院主樓416黃繼華（100083），E－mail：zhangchuanchen＠sohu.com