線性摩擦焊接鈦合金整體葉盤(pán)研制與實(shí)驗(yàn)研究

李祚軍, 田 偉, 張?zhí)飩}(cāng), 季亞娟, 鐘 燕

（1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

壓氣機(jī)整體葉盤(pán)是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)形式[1-3]。與傳統(tǒng)的葉片/輪盤(pán)分離式結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤(pán)可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低氣動(dòng)損失，減少零件數(shù)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性。由于技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，整體葉盤(pán)已經(jīng)在F414、F119和EJ200等先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇及壓氣機(jī)中獲得應(yīng)用[4-5]。整體葉盤(pán)對(duì)材料性能的要求較高，制造難度較大。整體葉盤(pán)材料主要有鈦合金和鎳基高溫合金兩類，制造工藝主要有整體鍛造、粉末冶金以及焊接等[6-7]。鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)。葉片和盤(pán)緣由于工作溫度較高，需要良好的持久、蠕變和高周疲勞性能；盤(pán)心工作溫度相對(duì)較低，主要承受離心力，需要具有較高的屈服強(qiáng)度和低周疲勞性能。研制雙性能整體葉盤(pán)是為了滿足葉盤(pán)不同部位對(duì)性能的差異化要求，目前主要研究途徑有兩種，即采用雙合金-雙組織或單合金-雙組織獲得雙性能。單合金-雙組織葉盤(pán)易出現(xiàn)力學(xué)性能不連續(xù)問(wèn)題，且工藝復(fù)雜，制造成本高，我國(guó)工程化應(yīng)用還處于起步階段。目前工程上多采用雙合金-雙組織研制整體葉盤(pán)，雙合金雙性能葉盤(pán)制備的工藝技術(shù)難點(diǎn)在于如何解決兩種合金結(jié)合區(qū)的“弱連接”問(wèn)題[8]。線性摩擦焊接制造整體葉盤(pán)是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，具有材料利用率高、制造成本低，可實(shí)現(xiàn)異材焊接，焊縫組織致密、性能優(yōu)良等特點(diǎn)[9-14]。對(duì)于異種金屬的焊接，線性摩擦焊表現(xiàn)出不易產(chǎn)生缺陷的優(yōu)勢(shì)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)制造的主要技術(shù)[15]。

本研究以航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體葉盤(pán)為應(yīng)用對(duì)象，開(kāi)展TC11鈦合金與TC17鈦合金異材線性摩擦焊接技術(shù)研究，分析焊接接頭組織和力學(xué)性能，進(jìn)行葉片單元件和整體葉盤(pán)實(shí)驗(yàn)件的焊接研究，并完成實(shí)驗(yàn)考核。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常用TC11鈦合金和TC17鈦合金。TC11鈦合金是一種綜合性能良好的雙相熱強(qiáng)鈦合金，通過(guò)α + β兩相區(qū)熱變形和α + β熱處理后獲得等軸組織（如圖1（a）所示），具有優(yōu)異的高周疲勞性能和熱強(qiáng)性能，適用于制造在500 ℃以下長(zhǎng)期服役的壓氣機(jī)葉片等零件。TC17鈦合金是一種富含β穩(wěn)定元素的中高溫用鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌、高淬透性的特點(diǎn)，經(jīng)跨β相變點(diǎn)的熱變形和固溶時(shí)效熱處理后具有細(xì)密的網(wǎng)籃組織（如圖1（b）所示），適用于制造在420 ℃以下長(zhǎng)期服役的壓氣機(jī)盤(pán)等零件。

采用中國(guó)航空制造技術(shù)研究院自制的線性摩擦焊接設(shè)備進(jìn)行組織性能試樣、葉片單元件和整體葉盤(pán)實(shí)驗(yàn)件的焊接，主要焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。焊接后的試樣和實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行退火熱處理，熱處理制度為630 ℃，保溫3.5 h。

表 1 線性摩擦焊接主要工藝參數(shù)Table 1 Main parameters of linear friction welding

熱處理后的焊接試樣進(jìn)行X射線、熒光滲透及超聲波探傷檢驗(yàn)，探傷檢驗(yàn)合格后切取試塊，研究焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察顯微組織，參照GB/T 228—2002測(cè)試室溫拉伸性能，參照GB/T 4338—2006測(cè)試450 ℃拉伸性能，參照GB/T 2039—1997測(cè)試持久極限強(qiáng)度（測(cè)試溫度400 ℃和450 ℃，測(cè)試時(shí)間10 h）。

線性摩擦焊接的葉片單元件在電磁振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行室溫振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)和疲勞壽命實(shí)驗(yàn)。線性摩擦焊接的整體葉盤(pán)實(shí)驗(yàn)件在立式輪盤(pán)實(shí)驗(yàn)器上進(jìn)行超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為250 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 線性摩擦焊接接頭組織和性能分析

TC11/TC17異材線性摩擦焊接接頭的宏觀形貌如圖2（a）所示。從圖2（a）中可以看出，接頭可分為五個(gè)區(qū)域：TC11母材區(qū)、TC11側(cè)熱力影響區(qū)（TMAZ）、焊合區(qū)（W）、TC17側(cè)熱力影響區(qū)和TC17母材區(qū)。接頭上部和下部的焊縫較寬（約為2 mm），中間較窄（約為1 mm）。

圖2（b）和圖2（c）分別是TC11側(cè)熱力影響區(qū)和TC17側(cè)熱力影響區(qū)的顯微組織。焊接過(guò)程中，這兩個(gè)區(qū)域的溫度未超過(guò)β轉(zhuǎn)變溫度，部分α相發(fā)生回溶，并在摩擦作用下產(chǎn)生明顯的變形。

圖2（d）和圖2（e）是焊合區(qū)的顯微組織形貌。焊接過(guò)程中，焊合區(qū)的溫度超過(guò)了TC11和TC17鈦合金的β相變溫度，并在摩擦變形的作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成等軸β晶粒，在焊后冷卻和退火熱處理過(guò)程中，在β晶界和晶內(nèi)析出了片層α相[14，16]。

TC11母材、TC17母材及TC11/TC17焊接接頭的室溫和400 ℃拉伸性能如表2所示。TC17母材的拉伸強(qiáng)度明顯高于TC11母材的拉伸強(qiáng)度（相差100 MPa以上），焊接接頭的拉伸強(qiáng)度與TC11母材基本相當(dāng)，并且實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷裂均產(chǎn)生在遠(yuǎn)離焊縫的TC11母材處。TC11母材的拉伸塑性（δ5和Ψ）明顯高于TC17母材的拉伸塑性。焊接接頭的伸長(zhǎng)率（δ5）與TC17母材相當(dāng)，斷面收縮率（Ψ）與TC11母材相當(dāng)。這是因?yàn)樯扉L(zhǎng)率反映了拉伸試樣在整個(gè)工作段上的均勻變形程度，伸長(zhǎng)率的大小主要受限于均勻變形能力較差的TC17母材；而斷面收縮率反映了拉伸試樣的局部變形程度，試樣的斷裂產(chǎn)生在TC11母材處，因此焊接接頭試樣的斷面收縮率與TC11母材相當(dāng)。

TC11母材、TC17母材及TC11/TC17焊接接頭在400 ℃和450 ℃下的10 h持久強(qiáng)度極限如表3所示?？梢钥闯觯琓C17母材的持久強(qiáng)度極限明顯高于TC11母材。焊接接頭的持久強(qiáng)度極限低于TC17母材但略高于TC11母材。實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，持久試樣的斷裂均產(chǎn)生在遠(yuǎn)離焊縫的TC11母材處。

圖 2 TC11/TC17異材線性摩擦焊接接頭的組織 （a）接頭宏觀組織形貌；（b）TC11側(cè)TMAZ顯微組織；（c）TC17側(cè)TMAZ顯微組織；（d），（e）焊合區(qū)W顯微組織Fig. 2 Microstructure of TC11/TC17 different materials linear friction welding joint （a）microstructure of welded joint；（b）microstructure of TC11 thermal influence zone；（c）microstructure of TC17 thermal influence zone；（d），（e）microstructure of weld zone

表 2 TC11母材、TC17母材及焊接接頭的拉伸性能Table 2 Tensile properties of TC11 base material，TC17 base material and welded joint

2.2 線性摩擦焊接葉片單元件疲勞性能和焊接整體葉盤(pán)實(shí)驗(yàn)分析

采用線性摩擦焊研制TC11/TC17異材焊接葉片單元件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。焊接單元件的結(jié)構(gòu)尺寸相同，焊縫位置（H為焊縫距榫頭底部的長(zhǎng)度）分為三種，分別為H= 38 mm、H= 43 mm和H= 63 mm，焊縫以下部分（靠近榫頭一側(cè)）為T(mén)C17鈦合金，焊縫以上部分（靠近葉尖一側(cè)）為T(mén)C11鈦合金。

采用有限元數(shù)值仿真的TC11和TC17葉片單元件的一階相對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力位于葉根R處，葉身中部應(yīng)力較大。對(duì)三種焊縫位置的葉片單元件進(jìn)行一階振動(dòng)應(yīng)力分布測(cè)試和疲勞壽命實(shí)驗(yàn)，每種焊縫位置的單元件均為8件。一階振動(dòng)應(yīng)力分布測(cè)試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果基本一致，最大應(yīng)力位于葉根R處。疲勞壽命實(shí)驗(yàn)中，三種葉片單元件的最大應(yīng)力位置的應(yīng)力值均為600 MPa。在此振動(dòng)條件下，根據(jù)振動(dòng)應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知：H= 38 mm單元件的焊縫上的最大應(yīng)力約為522 MPa，H= 43 mm單元件的焊縫上的最大應(yīng)力約為564 MPa，H= 63 mm單元件的焊縫上的最大應(yīng)力約為600 MPa。三種焊縫位置的單元件的疲勞壽命如表4所示。取存活率P= 50%、置信度γ= 95%，誤差限度δmax= 5%，三種單元件的中值疲勞壽命分別為：焊縫位置H= 38 mm為1.501 × 106次；焊縫位置H= 43 mm為0.344 ×106次；焊縫位置H= 63 mm為0.132 × 106次。實(shí)驗(yàn)后對(duì)葉片單元件進(jìn)行熒光滲透檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋主要產(chǎn)生在葉根R處的最大應(yīng)力區(qū)（TC17鈦合金母材處）和葉身中部的大應(yīng)力區(qū)（TC11鈦合金母材處），裂紋均未產(chǎn)生在焊縫處及熱影響區(qū)。

表 3 TC11母材、TC17母材及焊接接頭的10 h持久性能Table 3 10 h stress rupture properties of TC11 base material，TC17 base material and welded joint

表 4 線性摩擦焊TC11/TC17葉片單元件振動(dòng)疲勞壽命Table 4 Vibration fatigue life of linear friction welding TC11/TC17 blade test pieces

圖 3 線性摩擦焊TC11/TC17葉片單元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structural diagram of linear friction welding TC11/TC17 blade test pieces

圖 4 葉片單元件一階相對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分布示意圖 （a）TC11（左葉盆，右葉背）（b）TC17（左葉盆，右葉背）Fig. 4 First order relative vibration stress distribution diagram of blade test pieces （a）TC11（basin left and back right）；（b）TC17（basin left and back right）

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：首先，三種單元件的疲勞裂紋均未產(chǎn)生在焊縫處和熱影響區(qū)，說(shuō)明焊接質(zhì)量良好。其次，H= 38 mm的單元件焊縫處的振動(dòng)應(yīng)力最小，其疲勞壽命最高；H= 63 mm的單元件焊縫處的振動(dòng)應(yīng)力最大，其疲勞壽命最低，這說(shuō)明焊縫位置對(duì)焊縫處的應(yīng)力大小及疲勞壽命有明顯的影響。再次，當(dāng)焊縫位于單元件的大應(yīng)力區(qū)域時(shí)，雖然焊縫及熱影響區(qū)未發(fā)生疲勞裂紋，但是由于改變了葉片單元件的振型和應(yīng)力梯度，因此會(huì)在一定程度上降低單元件（母材）的疲勞壽命。

采用優(yōu)化的焊縫位置和焊接工藝，研制線性摩擦焊接TC11/TC17異材整體葉盤(pán)，輪盤(pán)部分為T(mén)C17鈦合金，葉片部分為T(mén)C11鈦合金。采用熒光滲透、電渦流和超聲波等方法對(duì)焊接整體葉盤(pán)進(jìn)行無(wú)損探傷檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)整體葉盤(pán)的尺寸進(jìn)行檢測(cè)，精度符合設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)后的整體葉盤(pán)在輪盤(pán)實(shí)驗(yàn)器上進(jìn)行超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)。超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，整體葉盤(pán)的溫度為250 ℃，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的115%，超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下保持5 min。低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)中，整體葉盤(pán)的溫度為250 ℃，最低轉(zhuǎn)速為2000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，共完成了1000次低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)。超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)后，對(duì)整體葉盤(pán)關(guān)鍵部位的尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，與實(shí)驗(yàn)前相比，殘余變形量 ＜ 0.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)后對(duì)整體葉盤(pán)進(jìn)行了熒光滲透檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

3 結(jié)論

（1）TC11/TC17異材線性摩擦焊接接頭由TC11合金母材區(qū)、TC11側(cè)熱力影響區(qū)（TMAZ）、焊合區(qū)（W）、TC17側(cè)熱力影響區(qū)和TC17合金母材區(qū)五個(gè)典型區(qū)域組成。

（2）TC11/TC17焊接接頭的室溫和400 ℃拉伸強(qiáng)度（σb、σ0.2）與TC11母材基本相當(dāng)，焊接接頭的伸長(zhǎng)率（δ5）與TC17母材相當(dāng)，斷面收縮率（Ψ）與TC11母材相當(dāng)；TC11/TC17焊接接頭在400 ℃和450 ℃下的持久強(qiáng)度極限低于TC17母材但略高于TC11母材。

（3）最大應(yīng)力為600 MPa的條件下，三種焊縫位置的TC11/TC17異材線性摩擦焊接葉片單元件的中值疲勞壽命分別為1.501 × 106次、0.344 ×106次、和0.132 × 106次，疲勞裂紋均未產(chǎn)生在焊縫處及熱影響區(qū)。

（4）線性摩擦焊接TC11/TC17異材整體葉盤(pán)通過(guò)了115%的超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和1000次低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足要求。