鈦及鈦合金攪拌摩擦焊研究進(jìn)展

周利，周煒璐，杜正勇，趙瑞峰，孟凡新，馮吉才

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)山東省特種焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001;3.首都航天機(jī)械公司，北京 100076;4.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

鈦及鈦合金具有耐蝕性強(qiáng)、密度小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空、航天、軍工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其連接技術(shù)也得到了廣泛關(guān)注。鈦及鈦合金采用常規(guī)熔化焊方法焊接時，易出現(xiàn)焊件變形大、組織發(fā)生粗化、產(chǎn)生氣孔等缺陷。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)是一種新型固相連接技術(shù)，具有焊接質(zhì)量高、成本低、可重復(fù)性強(qiáng)及節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，自問世以來就受到了極大關(guān)注，并已成功應(yīng)用于鋁、鎂等低熔點(diǎn)材料的焊接，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。為進(jìn)一步發(fā)揮攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，近年來已開始探索鈦及鈦合金等高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊技術(shù)，并取得了一定的研究成果。文中從焊具設(shè)計、接頭顯微組織與力學(xué)性能和焊接過程仿真等幾個方面，系統(tǒng)地介紹鈦及鈦合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀，為推動鈦及鈦合金攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 焊具設(shè)計

焊具設(shè)計是攪拌摩擦焊技術(shù)的關(guān)鍵，它決定了焊接過程能否順利進(jìn)行并直接影響接頭質(zhì)量，一般來講，焊具材料應(yīng)擁有比被焊材料更優(yōu)越的室溫及高溫性能，同時焊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)滿足焊接過程的需要。鈦及鈦合金熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、硬度高，在高溫下仍能保持較高的力學(xué)性能，這對攪拌摩擦焊焊具材料提出了很高的要求;同時，鈦及鈦合金活性強(qiáng)，焊接溫度高，易于與空氣反應(yīng)，這對焊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了需要加強(qiáng)冷卻和保護(hù)的要求。因此，國內(nèi)外針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊焊具的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計及輔助焊具系統(tǒng)進(jìn)行了研究[2—4]。

基層農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門在農(nóng)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)村的建設(shè)中起著重要的作用，其承擔(dān)著制定當(dāng)?shù)胤N植業(yè)發(fā)展的規(guī)劃，以及相關(guān)農(nóng)業(yè)政策的開展與宣傳工作。此外，農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門還組織和開展進(jìn)行農(nóng)業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)，尤其是承擔(dān)對新技術(shù)和新品種的推廣工作，還有進(jìn)行病蟲害的防治等。為推動農(nóng)村的發(fā)展和鄉(xiāng)村的振興奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的努力和發(fā)展，我國的基層農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣工作已經(jīng)取得了一定的成績，尤其是新技術(shù)和新品種的推廣更是促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)民收入的增加。但是在進(jìn)行推廣的過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，為了適應(yīng)時代的發(fā)展必須對這些問題進(jìn)行解決，實(shí)現(xiàn)推廣工作的優(yōu)化和創(chuàng)新。

針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊過程的特點(diǎn)，攪拌頭材料需要具有良好的高溫性能，目前的研究主要集中在鎢合金和多晶立方氮化硼(PCBN)兩種材料上。Gan 等人[5]開發(fā)了鎢合金攪拌頭。Seighalani等人[6]采用軸肩材料為純鎢(W)，攪拌針材料為硬質(zhì)合金(WC)的攪拌頭對純鈦進(jìn)行攪拌摩擦焊。Pilchak等人[7]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊過程中攪拌頭與工件的相互作用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，鎢合金攪拌頭的磨損對接頭表面成形和攪拌區(qū)顯微組織有較大影響。

Nelson 等人[8—9]開發(fā)了分體式多晶立方氮化硼焊具，如圖1所示，攪拌頭材料為PCBN，與攪拌摩擦焊機(jī)匹配的刀柄材料為硬質(zhì)合金(WC)，攪拌頭與刀柄采用高溫合金緊固以傳遞扭矩，成功實(shí)現(xiàn)了鈦合金的攪拌摩擦焊。Zhang[10]等人也采用PCBN焊具對工業(yè)純鈦進(jìn)行了攪拌摩擦焊。

圖1 PCBN焊具示意圖[8]Fig.1 Schematic illustration of PCBN tool design[8]

太湖流域多年平均年水資源量為176億m3，但近些年流域用水總量在350億m3左右，其中本地水源供水約220億m3，還有一部分直接從長江取水，不足部分靠重復(fù)利用和從長江引水。然而，在現(xiàn)狀工況下，引江及水資源調(diào)控能力不足，干旱年季節(jié)性、工程性缺水嚴(yán)重，流域遇枯水年（P=90%）和特枯水年（P=95%），缺水量達(dá)30.6億m3和42.3億m3。另一方面，流域用水還存在資源浪費(fèi)、管理粗放、用水效率低等問題，有較大的節(jié)水潛力和提升空間。

為了保證焊接過程順利完成，獲得優(yōu)質(zhì)的接頭，鈦及鈦合金攪拌摩擦焊接過程中，還需對焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)并采取冷卻措施，防止焊接過程的熱積累對焊接設(shè)備造成不利的影響，因此，常常附加循環(huán)液體冷卻和氣體保護(hù)裝置[12]，如圖2所示。其中，循環(huán)冷卻水主要用來降低攪拌頭及焊機(jī)傳動軸的溫度，以防旋轉(zhuǎn)過程中因熱積累過多導(dǎo)致軸承發(fā)生故障;保護(hù)氣體用來對焊縫正面及攪拌頭進(jìn)行保護(hù)，防止焊接區(qū)及攪拌頭發(fā)生氧化和氮化。

圖2 軸肩固定的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)[12]Fig.2 Friction stir welding system with fixed shoulder[12]

2 接頭顯微組織與力學(xué)性能

王快社等人[13]、Pilchak 等 人[14]和 Davies 等人[15]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接接頭顯微組織及其轉(zhuǎn)變特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，攪拌區(qū)在母材第二相和原始α相基礎(chǔ)上形成細(xì)小β相，進(jìn)而形成α+β片層結(jié)構(gòu)。熱機(jī)影響區(qū)在動態(tài)再結(jié)晶和相變共同作用下，主要形成α相等軸晶和α+β片層結(jié)構(gòu)，其中β織構(gòu)在高溫下主要是D2(112)[111]簡單剪切織構(gòu)，α相顯微組織由β相剪切織構(gòu)轉(zhuǎn)變而來，且發(fā)生了顯著的取向變化。

在鈦及鈦合金攪拌摩擦焊過程中，焊接工藝參數(shù)對金屬連續(xù)流動性能和顯微組織特性影響顯著，Song等人[44]用基于金屬塑性流動分析的晶胞動力學(xué)方法，分析了動態(tài)再結(jié)晶過程中的顯微組織演變，建立模型完成了宏觀塑性流動行為、微觀位錯移動、顯微組織晶粒長大動力學(xué)和接頭力學(xué)性能的多元模擬，如圖6所示。模擬所得屈服應(yīng)力曲線和試驗(yàn)測得的曲線一致，分析了應(yīng)變速率和溫度對平均位錯密度(相當(dāng)于屈服應(yīng)力)和最終晶粒尺寸演變的影響，結(jié)果與經(jīng)典動態(tài)再結(jié)晶理論相吻合。最終晶粒尺寸隨應(yīng)變速率和溫度的增加而降低，并且應(yīng)變速率變化率越大，對晶粒尺寸的影響越大。由模擬結(jié)果可知，存在一些焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度的匹配關(guān)系，可以保持微觀結(jié)構(gòu)細(xì)小。

高熔點(diǎn)材料攪拌摩擦焊過程中攪拌頭與被焊材料之間的熱機(jī)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致攪拌頭在焊接過程中易于發(fā)生磨損，即便采用鎢合金及多晶立方氮化硼作為攪拌頭材料也無法徹底避免[7，11]，因此鈦及鈦合金攪拌摩擦焊具也多采用分體式設(shè)計方案，當(dāng)攪拌頭磨損較為嚴(yán)重時，會使焊接過程無法順利進(jìn)行并影響接頭質(zhì)量，因而攪拌頭磨損成為高熔點(diǎn)材料攪拌摩擦焊技術(shù)中令人關(guān)注的問題。

對于鈦及鈦合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的研究，主要集中在應(yīng)用最為廣泛的Ti-6Al-4V合金，且對接頭組織結(jié)構(gòu)演變機(jī)制的研究還有待深入。

在攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭與工件之間因發(fā)生相對轉(zhuǎn)動和移動而產(chǎn)生摩擦熱和塑性變形，從而在工件上形成焊接溫度場和材料塑性流動行為，進(jìn)而決定接頭的組織和性能，因此，研究焊接溫度場和材料塑形流動行為對于揭示接頭的微觀組織轉(zhuǎn)變機(jī)制具有重要意義。目前，針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊焊接過程仿真的研究較少，王文英等人[43]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊過程中溫度場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，焊縫中心的峰值溫度達(dá)1258℃，超過了Ti-6Al-4V合金的相變溫度區(qū)間，由焊縫中心向外，峰值溫度逐漸降低。

圖3 焊核區(qū)織構(gòu)ODF分析Fig.3 ODF sections in the SZ

除Ti-6Al-4V 合金以外，Mironov等人[34]、Liu等人[35—36]和 Fujii[37]等人對純鈦，Knipling 等人[38]和Fonda[29]等人對近 α 鈦合金，Reynolds等人[40]對 β 鈦合金攪拌摩擦焊接頭中晶體取向的演化行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于相變及再結(jié)晶過程使晶體取向發(fā)生顯著變化。Nimer等人[41]和 Knipling 等人[42]分別對 Ti-5111合金攪拌摩擦焊接頭橫截面定向測量和顯微組織演變進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，接頭攪拌區(qū)由細(xì)小的初生β等軸晶和α板條組成，強(qiáng)度和塑性有所提高。采用電子背散射衍射(EBSD)表征接頭后退側(cè)顯微組織演變過程，如圖5所示。

圖4 Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)組織[22，27]Fig.4 Stir zone microstructure in Ti-6Al-4V alloy friction stir welded joints[22，27]

Pilchak等人[22—23]對 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊接頭組織分析結(jié)果表明，焊核區(qū)溫度低于相變點(diǎn)，焊核區(qū)中有等軸初生α相存在，如圖4a所示。Zhou等人[24—25]和 Edwards 等人[26—28]研究了不同焊接工藝參數(shù)下的Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明，隨工藝條件不同，焊接過程中焊核區(qū)溫度可能處于相變點(diǎn)以上或以下，在熱輸入較高的焊接參數(shù)下焊核區(qū)溫度處于相變點(diǎn)以上，從而在焊核區(qū)形成了全層片組織，如圖4b所示。Wang等人[29]對不同攪拌針形狀和拉伸條件下Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭變形行為進(jìn)行了研究。Steuwer等人[30]和 Liu 等人[31]分別研究了 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力、顯微組織和拉伸性能之間的關(guān)系。此外，Zhou[32—33]等人對氫化 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊過程中的顯微組織演變機(jī)制和焊后脫氫工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，熱氫處理可以通過提高鈦合金熱塑性增加焊接工藝參數(shù)范圍，提高接頭表面成形和攪拌頭壽命，且可通過焊后真空熱處理去除接頭中的氫元素。

圖5 接頭后退側(cè)EBSD圖[42]Fig.5 EBSD map of the weld at the retreating side

3 焊接過程仿真

Sato等人[16—19]對 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊接頭的組織性能進(jìn)行了分析，并對焊核區(qū)晶粒結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，焊接時焊核區(qū)溫度超過相變點(diǎn)從而獲得了全層片組織，焊接熱輸入增大會使組織粗大造成接頭性能降低。Wu等人[20]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭熱機(jī)影響區(qū)組織演變過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在熱機(jī)影響區(qū)發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，顯微硬度值最低，易形成溝槽缺陷。Zhou等人[21]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭