TC11/TC17線性摩擦焊飛邊及焊縫微區(qū)特征分析

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點實驗室 季亞娟 張?zhí)飩} 李曉紅 郭德倫

隨著戰(zhàn)斗機的不斷更新?lián)Q代，對發(fā)動機提出了更高的要求，以滿足其推力和減重的要求。整體葉盤就是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，它具有減重、簡化結(jié)構(gòu)、增效等優(yōu)點，已用于我國第四代戰(zhàn)斗機發(fā)動機。線性摩擦焊在異種鈦合金整體葉盤加工方面有獨特的優(yōu)勢，具有接頭性能好、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可實現(xiàn)異種材料焊接、焊接過程可自動化控制等優(yōu)點，國外已經(jīng)將該技術(shù)用于異種鈦合金整體葉盤的制造。TC11和TC17鈦合金具有良好的室溫和高溫性能，是發(fā)動機整體葉盤的常用材料。因此，本文針對TC11和TC17鈦合金線性摩擦焊接頭開展組織分析研究，為TC11和TC17鈦合金線性摩擦焊整體葉盤研制奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

本試驗選用的是航空發(fā)動機鈦合金整體葉盤常用的TC11鈦合金和TC17鈦合金。TC11鈦合金是一種綜合性能良好的α-β型熱強鈦合金，在500℃以下有優(yōu)異的熱強性能（高溫強度、蠕變抗力等），并且具有較高室溫強度[1]。其主要化學(xué)成分見表1，母材由等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，α相約占60%，尺寸約為15μm，見圖1。

圖1 TC11母材組織Fig.1 Microstructure of TC11 base metal

TC17鈦合金是一種富β相的α-β型鈦合金，該合金具有高強度、斷裂韌度好、淬透性高和鍛造溫度范圍寬等一系列優(yōu)點[1]，用于航空發(fā)動機整體葉盤制造，主要化學(xué)成分見表1。其組織為典型的網(wǎng)籃組織，由片層α和β相組成，α相長度約為10～30μm，寬度約為 0.5～1μm，見圖 2。

表1 TC11和TC17鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

待焊試樣尺寸： 130mm×75mm×20mm，焊接面積為75mm×20mm，焊后對接頭和飛邊截取試樣，進行金相組織、掃描電鏡組織和透射電鏡組織觀察，研究飛邊及接頭組織特點，揭示線性摩擦焊接頭組織形成規(guī)律。

2 接頭組織分析

2.1 焊接飛邊組織分析

圖2 TC17母材組織Fig.2 Microstructure of TC17 base metal

線性摩擦焊過程是待焊兩試件通過摩擦生熱，使母材發(fā)生塑化，塑化金屬在溫度和力的作用下，擠出形成飛邊，因此飛邊組織的演變能在一定程度上反映線性摩擦焊接頭組織的形成過程。

TC11/TC17鈦合金線性摩擦焊接頭外觀形貌如圖3所示，飛邊顏色呈現(xiàn)青黃色，從飛邊的尺寸來看，沿著振動方向的飛邊（稱為縱向飛邊）長度較長，且呈現(xiàn)波紋狀的紋理，該紋理的數(shù)量與線性摩擦焊過程總的振動有關(guān)，橫向飛邊的長度相對較短，飛邊卷向較硬的TC17鈦合金一側(cè)。

圖3 接頭外觀形貌Fig.3 Appearance of joint

對橫向飛邊和縱向飛邊解剖并進行金相組織觀察，宏觀金相見圖4和圖5，從圖中可以看出，異材焊接時，擠出的飛邊并不是兩種合金的均勻混合組織，圖4飛邊宏觀組織中顏色較深側(cè)為TC17鈦合金，另一側(cè)為TC11鈦合金，TC11側(cè)飛邊的厚度大約為TC17側(cè)的2～3倍。從圖4宏觀形貌圖中還可以看出，TC11鈦合金先被擠出，然后2種材料同時擠出形成飛邊。如圖4（a）縱向飛邊的尖端由發(fā)生變形的組織及發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的組織組成，分析認為產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是在摩擦的初始階段，位于摩擦面近區(qū)的金屬在摩擦力和摩擦熱的作用下，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而相鄰金屬發(fā)生塑化，金屬的強度急劇下降，發(fā)生再結(jié)晶的金屬在被擠出形成飛邊時，將附近未發(fā)生再結(jié)晶的金屬一同帶出，形成該組織特征。而飛邊中部及根部組織（見圖4（c）和（d））均為發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的組織，并在界面處形成了共生晶粒，同時晶粒內(nèi)部組織為細小的片層組織，表明焊接過程的溫度超過鈦合金的再結(jié)晶和相變溫度。

橫向飛邊的組織與縱向飛邊類似，如圖5所示，即TC11先被擠出形成飛邊，飛邊中部（圖5（a））和根部（圖5（c））均為動態(tài)再結(jié)晶組織，并且在界面處形成共生晶粒。

圖4 縱向飛邊組織Fig.4 Microstructure of flash along oscillation

圖5 橫向飛邊組織Fig.5 Microstructure of flash perpendicu lar to oscillation

從某種程度上講，飛邊內(nèi)微觀組織特征反映了焊縫內(nèi)微觀組織的演變過程。在一定的焊接參數(shù)下，隨著摩擦?xí)r間的延長，界面溫度增加，TC11鈦合金先發(fā)生塑化被擠出焊縫，隨著摩擦的進行，TC17鈦合金也達到塑化狀態(tài)，形成異種材料飛邊擠出，飛邊的界面處均發(fā)生了再結(jié)晶，并且形成了共生晶粒。摩擦階段后期界面溫度趨于恒定，界面塑性金屬層將處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)，飛邊擠出均勻，從而為獲得成形良好的線性摩擦焊接頭創(chuàng)造了條件。通過對飛邊微觀組織的分析，僅能獲得界面處金屬初始擠出過程微觀組織演變過程。而為了更全面了解線性摩擦焊各階段金屬微觀組織的演變過程，還需對接頭微觀組織的演變行為進行系統(tǒng)研究。

2.2 接頭組織

2.2.1 宏觀組織

圖6 接頭宏觀組織Fig.6 Macrostructure of joint

圖7 接頭不同部位宏觀組織Fig.7 Microstructure of different locations of joint

TC11/TC17線性摩擦焊接頭的宏觀形貌見圖6，可以看出，經(jīng)過腐蝕后，焊縫呈現(xiàn)腰鼓形狀。TC17側(cè)能觀察到明顯晶粒。從圖6中可以看出，接頭明顯分為5個區(qū)域：TC11母材、TC11側(cè)熱力影響區(qū)（Thermal Mechanical Affected Zone，TMAZ）、焊合區(qū)（Weld zone，W）、TC17側(cè)熱力影響區(qū)和TC17母材。從圖7接頭上部、中間和下部組織可以看出，與圖6相對應(yīng)，上部和下部的焊縫較寬，寬度約為2mm，中間較窄約為1mm，這與焊接接頭形成過程有關(guān)。中部金屬塑化在接頭上下兩端擠出形成飛邊，同時擠出的飛邊對焊縫邊緣有再加熱；上部和下部的組織均沿著飛邊擠出方向被拉長，而且離邊緣越近，晶粒變形越劇烈，而接頭中部的組織未被拉長，見圖7（c），且TC17側(cè)熱力影響區(qū)為明顯的等軸晶粒。

2.2.2 顯微組織分析

（1）TC11側(cè)熱力影響區(qū)組織。

TC11側(cè)熱力影響區(qū)由高度變形的α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，見圖8。α相由原來母材的等軸晶粒沿著飛邊擠出方向被拉長[2-4]，靠近母材側(cè)的拉長α相尺寸較大而接近焊合區(qū)時α相完全溶解，熱力影響區(qū)與母材組織相似，表明TC11側(cè)熱力影響區(qū)的溫度未超過β轉(zhuǎn)變溫度，只發(fā)生了α相和β相晶粒沿受力方向重新排列。

圖8 TC11側(cè)熱力影響區(qū)組織Fig.8 Thermal mechanical a ffected zone of TC11

（2）TC17側(cè)熱力影響區(qū)組織。

與TC17母材組織相比，熱力影響區(qū)原始β晶粒沿著受力方向被拉長，原始母材β轉(zhuǎn)變組織的片層寬度大大減薄，長度也變短，但是該區(qū)組織特征與原始母材類似（圖9），說明該區(qū)的焊接溫度并未達到相變溫度。

圖9 TC17側(cè)熱力影響區(qū)組織Fig.9 Therma l Mechanical affected zone of TC17

（3）焊合區(qū)組織。

圖10 焊合區(qū)組織Fig.10 Microstructure of weld zone

圖11 焊合區(qū)TEM組織Fig.11 TEM Microstructure of weld zone

從圖10（a）和（b）可以看出，TC11側(cè)組織明顯不同于母材組織，這是由于焊接過程中，該區(qū)的溫度達到了TC11鈦合金的β相變溫度以上，β晶粒發(fā)生變形，并發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶形成等軸β晶粒，尺寸約為12～16μm，在焊后冷卻過程中，在β晶界和晶內(nèi)析出片層α相，形成魏氏組織，其中α片層的長度為1～10μm。而TC17側(cè)焊合區(qū)則形成了等軸的亞穩(wěn)態(tài)β晶粒，晶粒尺寸約為5～8μm。而且在焊合線附近的平均晶粒尺寸要小于其他焊合區(qū)的晶粒，是由于在近界面處不斷有新的晶粒形核且由于摩擦的作用只有在摩擦停止后發(fā)生長大，而遠離焊合線的晶粒則在焊接過程中發(fā)生長大造成的。

而圖11透射電鏡分析表明TC11和TC17側(cè)焊合區(qū)存在高密度位錯，這與線性摩擦焊過程中大的應(yīng)力和應(yīng)變速率有關(guān)，這些位錯的存在為摩擦焊過程原子的擴散提供了通道。從圖11可以看出在焊合線處存在組織過渡區(qū)，結(jié)合界面處典型元素的濃度測試，發(fā)現(xiàn)該處存在元素擴散層。

綜上所述，線性摩擦焊接頭焊合區(qū)均為等軸晶，且焊接界面處存在組織過渡而未發(fā)生組織突變，并且存在7～10μm的擴散層，這些都是使線性摩擦焊接頭性能良好的原因。

3 結(jié)論

（1）TC11/TC17異種鈦合金線性摩擦焊飛邊不是2種材料的混合組織，而是由TC11鈦合金、過渡區(qū)和TC17鈦合金組成；飛邊尖端為TC11鈦合金，由發(fā)生變形的和再結(jié)晶的組織組成；中部和根部均為動態(tài)再結(jié)晶組織。

（2）接頭宏觀組織明顯分為5個區(qū)域，即TC11和TC17母材區(qū)、TC11和TC17側(cè)熱力影響區(qū)以及焊合區(qū)。熱力影響區(qū)兩端組織沿著飛邊擠出方向被拉長，中部為等軸晶粒；兩側(cè)焊合區(qū)均發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部為細小片層組織，在焊合線處存在組織過渡區(qū)。

（3）電子探針測試結(jié)果表明，焊接界面處存在7～10μm的擴散層，是線性摩擦焊接頭性能良好的原因之一。

[1] 《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊. 北京:中國標準出版社, 2002.

[2] 季亞娟, 劉燕冰, 張?zhí)飩},等.振幅對線性摩擦焊接頭組織和元素分布的影響. 焊接學(xué)報, 2012, 33(9):101-104.

[3] 張?zhí)飩}, 李晶, 季亞娟,等. TC4鈦合金線性摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能. 焊接學(xué)報, 2010, 31(2):53-56.

[4] 季亞娟, 張?zhí)飩}, 李曉紅. TC11/TC17 鈦合金線性摩擦焊接頭組織與性能. 航空制造技術(shù), 2011(8):66-69.