鈦合金線性摩擦焊接界面組織研究現(xiàn)狀*

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室

西北工業(yè)大學(xué)摩擦焊接陜西省重點實驗室 王新宇 李文亞 馬鐵軍

線性摩擦焊（Linear Friction Welding，LFW）是20世紀(jì)80年代末問世的一種新型的固相連接方法。它是集焊接、塑性加工、摩擦學(xué)、機械、電子等學(xué)科技術(shù)為一體的先進技術(shù)[1]，其原理如圖1[2]所示。焊接過程中，一待焊工件由振動機構(gòu)驅(qū)動，相對于另一待焊工件作直線往復(fù)運動。焊接界面金屬在往復(fù)摩擦與軸向壓力作用下產(chǎn)生摩擦熱，隨著熱量不斷增加，界面金屬迅速達到粘塑性狀態(tài)，然后被擠出，形成飛邊。待足量金屬被擠出后，停止往復(fù)運動并施加頂鍛力，完成焊接。與熔焊等焊接方法相比，線性摩擦焊不僅具有摩擦焊接可靠性高、成本低、接頭質(zhì)量優(yōu)異的優(yōu)點，還可實現(xiàn)方形、多邊形截面等非回轉(zhuǎn)件的可靠連接[3-4]。

線性摩擦焊在航空航天領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用與發(fā)展前景，引起了國外大型航空發(fā)動機制造廠家的高度重視[5-6]，并就線性摩擦焊接制造整體葉盤技術(shù)申報了諸多專利，且成功應(yīng)用在多款發(fā)動機上，成為國外嚴(yán)密封鎖的核心技術(shù)[7]。例如EJ200發(fā)動機的1～3級風(fēng)扇盤，F(xiàn)119的帶有空心葉片的1級風(fēng)扇葉盤，聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機JSF升力風(fēng)扇葉盤及JSF119的風(fēng)扇葉盤的焊接[8]。由于線性摩擦焊在整體葉盤，特別是雙性能葉盤的制造及修復(fù)方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，因此，深入、系統(tǒng)地開展線性摩擦焊的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，掌握整體葉盤線性摩擦焊的接頭組織演變與質(zhì)量控制等技術(shù)關(guān)鍵是很有必要的。

圖1 線性摩擦焊原理示意圖

同質(zhì)鈦合金線性摩擦焊組織

線性摩擦焊接頭焊縫組織一般分為3個區(qū)域：（1）焊縫中心區(qū)（Weld Center Zone，WCZ）。摩擦界面產(chǎn)生的高溫與軸向的摩擦壓力、界面剪切力共同作用于該區(qū)域，使得位錯密度增加，在晶界附近塞積，引起嚴(yán)重的晶格畸變，儲存了大量的變形能，促使該區(qū)發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，形成細小的等軸晶組織。焊縫區(qū)的特點是兩側(cè)金屬原子相互擴散、晶界相互遷移、物質(zhì)相互滲透。（2）熱力影響區(qū)（Thermo-mechanically Affected Zone，TMAZ）。其行為只與本側(cè)材料所承受的熱力耦合作用有關(guān)，不受另一側(cè)材料的影響。摩擦熱和擠壓剪切同樣對該區(qū)域有明顯影響，但由于距離焊縫較遠，其變形程度和溫度較焊縫中心區(qū)小，變形能不能滿足動態(tài)再結(jié)晶及相變的需求，因此組織特征表現(xiàn)為沿焊接摩擦方向伸長呈流線形的變形晶粒及部分再結(jié)晶組織。（3）熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）。該區(qū)域的溫度進一步降低，看不到明顯的變形，對于鈦合金而言，由于其導(dǎo)熱性差，該區(qū)溫度對組織的影響很小，致使采用光鏡或掃描電鏡已不能觀察到其組織變化[9]，因此熱影響區(qū)常被忽略或者被劃為熱力影響區(qū)的一部分來研究。

典型的雙相鈦合金TC4線性摩擦焊接頭組織如圖2[9]所示，可以看出，焊縫及熱力影響區(qū)形成的金屬流線不僅沿焊接界面左右對稱，而且沿焊縫中心線上下對稱，這是線性摩擦焊往復(fù)直線運動的特點造成的。焊縫的中心區(qū)為一條腐蝕抗力很高的白色亮線，并沒有流線形態(tài)的組織，其寬度從中心向兩側(cè)逐漸變寬。這一特點是由線性摩擦焊過程中塑性金屬流動行為決定的，由于受到往復(fù)的剪切作用，焊縫中心的金屬不斷被擠出到焊縫邊緣，且邊緣摩擦壓應(yīng)力小于中心，使焊縫邊緣的高溫金屬增加，最終得到一個較寬的焊縫。

Li等[10]采用透射電鏡對TC4線性摩擦焊接頭組織進行研究，對接頭組織形成做出解釋。焊接初始階段，界面金屬在軸向力和切向力的作用下發(fā)生變形，晶粒內(nèi)位錯密度隨變形程度逐漸增加，大量位錯聚集纏結(jié)，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。隨著焊縫溫度的上升，α晶粒全部變?yōu)棣戮Я?，胞狀亞結(jié)構(gòu)聚集長大，構(gòu)成再結(jié)晶晶粒的核心。由于焊縫高溫停留時間很短，因此再結(jié)晶晶粒并不能長大，隨著界面溫度的降低，α晶粒沿β晶界逐漸生長，或向晶內(nèi)生長，最終形成焊縫的細晶組織。熱力影響區(qū)同樣受到變形和高溫的共同影響，然而相對于焊縫區(qū)，其受到的變形和高溫較小，儲能不滿足動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生條件，故晶粒尺寸有明顯的過渡特征：靠近母材區(qū)域溫度低，變形小，晶粒較大;靠近焊縫區(qū)溫度高，變形大，發(fā)生部分動態(tài)再結(jié)晶，組織大小不均。

Land等[11]研究了TC11鈦合金的接頭組織，發(fā)現(xiàn)焊縫中心發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，組織特征為板條狀α晶粒分布在細小的等軸β基體上；在熱力影響區(qū)，晶粒沿摩擦方向伸長，變形程度及轉(zhuǎn)變β相的比例均呈現(xiàn)梯度分布，越靠近焊縫中心，變形越嚴(yán)重，且轉(zhuǎn)變β相的比例越高。Li等[12]對TC17鈦合金線性摩擦焊接頭組織演變進行了研究，結(jié)果表明，焊縫中心區(qū)域為細小等軸的α+β組織，α晶粒均勻彌散分布于再結(jié)晶β基體或晶界上；在熱力影響區(qū)，高度變形的α和β晶粒沿著變形方向分布，且由于溫度分布及變形不均勻，從焊縫中心到母材呈逐漸變化的結(jié)構(gòu)。焊接過程中改變工藝參數(shù)，接頭顯微組織也會隨著發(fā)生變化。Romero等[13]詳細研究了頂鍛壓力對線性摩擦焊TC4接頭顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)接頭寬度隨著軸向壓力的增大而減小，焊縫區(qū)組織為魏氏組織，原始β晶粒勾勒出晶界，熱力影響區(qū)由拉長的α和β晶粒組成，并沿著變形方向分布。Karadge等[14]采用不同尺寸的TC4試樣進行線性摩擦焊接試驗，結(jié)果表明，尺寸對焊接接頭組織影響不大，焊縫區(qū)都是超細晶組織且有針狀馬氏體存在，只是大試件接頭塑性區(qū)域晶粒尺寸是小試件的2倍。

此外，Dalgaard等[15]對近β鈦合金Ti5553（Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr)線性摩擦焊接頭組織進行了研究，發(fā)現(xiàn)其再結(jié)晶行為較雙相鈦合金更為充分，焊縫中心組織為細小的β等軸晶粒（1～5μm）（見圖 3（a））以及極少量的α晶粒（含量不足1%，在圖中已不可見）。與母材組織相比，焊縫晶粒顯著細化，同時α相比例明顯減少，不足1%。熱力影響區(qū)組織則以較大的變形β晶粒為主，在其晶界位置存在部分再結(jié)晶晶粒，α相比例與焊縫相近。

對于α鈦合金，張莎莎等[16]采用EBSD技術(shù)對TA2線性摩擦焊接頭組織進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)焊縫中心晶粒較母材也發(fā)生了顯著細化，但晶粒形貌并不是等軸細晶，而是沿摩擦方向伸長的細小晶粒（圖3（b）），這說明α鈦合金在焊接過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為與α+β鈦合金及β鈦合金并不完全相同，這可能與鈦合金的層錯能有較大關(guān)系，相對于α+β鈦合金及β鈦合金，α鈦合金的層錯能更高，其發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶更為困難。

圖2 線性摩擦焊TC4接頭微觀組織

圖3 Ti5553和TA2

異質(zhì)鈦合金線性摩擦焊組織

在航空發(fā)動機工作時，其葉片和輪盤所處的溫度和應(yīng)力狀態(tài)是不同的，因此航空發(fā)動機的制造需要同時滿足輪盤和葉片的不同性能需求，由此產(chǎn)生了雙性能整體葉盤。雙性能整體葉盤的制造，需要實現(xiàn)異質(zhì)材料的可靠連接，將不同材料的優(yōu)勢發(fā)揮到最大化。因此，研究異種材料的線性摩擦焊有著重要的意義。

從結(jié)構(gòu)角度看，異種材料的焊接問題在本質(zhì)上是焊接接頭的界面問題。由于不同材料的物理性質(zhì)存在較大差異，接頭界面處會出現(xiàn)較大的應(yīng)力不匹配現(xiàn)象。只有克服或減弱異種材料之間的界面力學(xué)失配效應(yīng)，才能實現(xiàn)異質(zhì)材料的可靠連接，獲得應(yīng)力分布合理的焊接結(jié)構(gòu)。李曉紅等[17]以異種鈦合金的線性摩擦焊為例，進行了材料間相互匹配的界面奇異性分析，結(jié)果表明：相較于TC11/TC17而言，TC4/TC17具有較好的界面匹配，獲得良好線性摩擦焊接頭的可能性更高。

關(guān)于異質(zhì)材料線性摩擦焊接頭微觀組織演變，目前也有文獻報道。Ma等[18]采用線性摩擦焊方法焊接了TC4和TC11異質(zhì)材料，獲得了結(jié)合質(zhì)量良好的接頭。但與同質(zhì)接頭不同的是，焊縫中心存在一條清晰的界面，如圖4所示。焊縫區(qū)的TC4一側(cè)為超細晶α顆粒（見圖4中白色圓形所圍區(qū)域），這些顆粒彌散分布在β基體上，同時有一些α顆粒從變形方向被拉長，而在TC11一側(cè)觀察到的是亞穩(wěn)定β相，α晶粒沿著β晶界和晶內(nèi)析出；兩側(cè)的TMAZ區(qū)域組織明顯不同，在TC4側(cè)可以看到很少一部分再結(jié)晶晶粒，而TC11側(cè)出現(xiàn)大量被拉長的晶粒，沒有觀察到再結(jié)晶晶粒。Guo等[19]采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡研究了TC4和Ti-6246異質(zhì)接頭微觀組織。對于TC4一側(cè)，焊縫區(qū)為細小的針狀組織，熱機影響區(qū)內(nèi)晶粒被拉長，尤其是殘留β相拉長現(xiàn)象特別嚴(yán)重，熱影響區(qū)α和β晶界變得模糊，而Ti-6246焊縫中心區(qū)為互相垂直的細小針狀組織，熱機影響區(qū)明顯的特點為沿著振動方向被拉長的初始α和殘留β，熱影響區(qū)的二次α相相比母材明顯減少。Ji等[20]對2種不同組織的TC17鈦合金線性摩擦焊接頭組織進行了研究。結(jié)果表明，在焊縫中心區(qū)，板條狀的斜方馬氏體α"在垂直β晶界方向上生長，分布在等軸β晶基體上，且位錯密度較低。熱力影響區(qū)則為沿焊接方向伸長的晶粒，同時存在大量位錯纏結(jié)及胞狀亞結(jié)構(gòu)。

焊接缺陷及異常組織

圖4 線性摩擦焊TC4/TC11異質(zhì)接頭焊縫組織

對于鈦合金的線性摩擦焊，合適的焊接參數(shù)匹配一般能使焊縫實現(xiàn)再結(jié)晶，獲得良好的結(jié)合。對此，Wanjara和Jahazi[21]以TC4為例進行了系統(tǒng)的研究，分析了焊接參數(shù)對焊縫再結(jié)晶晶粒尺寸的影響，并發(fā)現(xiàn)線性摩擦焊過程存在一個臨界熱輸入值，低于該值會導(dǎo)致塑性金屬流動不足，無法將界面雜質(zhì)徹底排除，最終導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)微孔或氧化物夾雜等缺陷。這與Vairis等[22]關(guān)于實現(xiàn)TC4線性摩擦焊良好接合所需最小能量輸入的研究結(jié)果是一致的。

然而，Li等在對TC4[23]及TC11[24]線性摩擦焊接頭組織進行研究時，均發(fā)現(xiàn)了不同于以往的孔洞、夾雜的異常組織，如圖5所示。在較低的放大倍數(shù)下（見圖 5（a）），焊縫似乎存在貫穿裂紋，但在高倍下可以看出，焊縫中心組織為β基體上的球狀的α晶粒和針狀的α'馬氏體，并沒有孔洞缺陷（見圖5（b））。筆者對球狀α形成機理進行了分析，認(rèn)為其形成的原因是摩擦壓力較低導(dǎo)致接頭熱輸入不足，使得相變驅(qū)動力不足，又因為界面溫度分布不均勻，故在兩相區(qū)變形時，片層α因局部剪切及旋轉(zhuǎn)破碎，隨后破碎的小片層發(fā)生再結(jié)晶形成等軸狀的組織。在摩擦力的作用下，細小的α顆粒通過擠出相對較軟的β相聚集長大。由于這種異常組織嚴(yán)重降低了接頭的力學(xué)性能，而且無法通過焊后熱處理徹底消除（見圖 5（c）），因此，通過調(diào)整焊接參數(shù)控制其形成就顯得尤為重要。

圖5 TC4線性摩擦焊接頭異常組織

結(jié)束語

作為整體葉盤制造及維修的關(guān)鍵技術(shù)，線性摩擦焊接技術(shù)目前在國外已經(jīng)成功應(yīng)用。我國對其研究雖然起步較晚，近年來也得到了較好的發(fā)展，但相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究支撐仍然略顯單薄。加快線性摩擦焊接技術(shù)工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究，對于實現(xiàn)國內(nèi)航空關(guān)鍵部件的自主研發(fā)生產(chǎn)，促進我國航空航天事業(yè)的發(fā)展有著深遠的意義。

在鈦合金線性摩擦焊組織研究方面，仍然存在一些問題需要解決，如焊接過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為與相變行為，界面組織演變機理等。目前來看，這些問題采用常規(guī)的研究手段得到的結(jié)果并不十分理想，利用原位觀測方法配合熱物理模擬技術(shù)或許能取得較大突破。此外，對于異質(zhì)材料的線性摩擦焊接，如何通過控制參數(shù)及焊接熱循環(huán)，得到較為理想的組織，實現(xiàn)物性差異較大的材料的結(jié)合，降低與消除焊接接頭應(yīng)力也是一個重要的課題。

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