钛合金线性摩擦焊接头组织特征分析.doc

毕业设计（论文）题目 钛合金线性摩擦焊接头组织特征分析专 业 名 称 焊接技术与工程班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 柯黎明2010年6月目 录1 前言 （1）1.1 选题依据及意义 （1） 1.1.1 钛合金概述 （1） 1.1.2 TC4钛合金焊接性分析 （2） 1.1.3 线性摩擦焊简介 （2） 1.1.4 钛合金焊接方法简介 （3） 1.1.5线性摩擦焊在整体叶盘中的运用 （5）1.2 国内外研究概况及发展趋势 （6）1.3 研究内容 （9）2 实验方案 （10）2.1 实验设备及材料 （10）2.2 实验步骤 （10） 2.2.1 焊接试样 （10） 2.2.2 制备金相试样 （10） 2.2.3 测试显微硬度 （11）3 试验结果与分析 （12）3.1 TC4钛合金潜弧焊接头微观组织 （12） 3.1.1 潜弧焊焊缝微观组织分析 （13） 3.1.2 潜弧焊热影响区微观组织分析 （14） 3.1.3 潜弧焊熔合线微观组织分析 （15）3.2 TC4钛合金线性摩擦焊接头微观组织 （15） 3.2.1 线性摩擦焊焊缝微观组织分析 （16） 3.2.2 线性摩擦焊热力影响区微观组织分析 （19）3.3 TC4钛合金潜弧焊与线性摩擦焊接头微观组织对比分析 （20）3.4 TC4钛合金线性摩擦焊接头显微硬度分布 （22） 3.4.1 线性摩擦焊接头轴向显微硬度分析 （22） 3.4.2线性摩擦焊接头径向显微硬度分析 （23）4 结论 （24）参考文献 （25）致 谢 （27）钛合金线性摩擦焊接头组织特征分析学生姓名： 班级：指导老师：柯黎明摘 要：线性摩擦焊是一种先进的固相连接技术，通过分别分析TC4钛合金线性摩擦焊和潜弧焊接接头不同区域的微观组织形貌、成分特点等方面，了解TC4钛合金线性摩擦焊和潜弧焊焊接方法的特点及其接头组织的一般特征。

对线性摩擦焊接头进行显微硬度分布情况分析，初步探讨线性摩擦焊接头显微硬度的分布特点试验结果表明，在分析TC4潜弧焊中发现潜弧焊和线性摩擦焊时焊缝均可获得性能优良的网篮组织，但潜弧焊热影响区晶粒粗大在对TC4线性摩擦焊接头组织分析过程中发现其接头抗腐蚀能力弱于母材，焊缝中存在氧化物和夹杂，焊缝中氧化物的存在使得接头硬度明显高于母材采用合理的焊接参数，使焊缝界面产生足够的塑性金属，可以避免接头出现氧化物和夹杂等缺陷线性摩擦焊热影响区晶粒为细条状且流线方向与焊接方向一致接头显微硬度在垂直接触界面上呈W形分布，在平行接触界面上呈C形分布关键词：钛合金;线性摩擦焊;接头;组织特征 指导老师签名：Analysis the structure characteristic of Ti-alloy Linear Friction Welding jointsStudent name： Classic：Supervisor：Ke LimingAbstract：Linear Friction Welding is an advanced solid-state jointing technology, microstructure of different region in these the Ti-alloy TC4 Linear Friction Welding and submerged arc welding joints was analysised，found out that the general characteristics of joint and the features of the welding methods. Analyzed the microhardness distribution on the joint linear friction welding，and discussed the microhardness distribution characteristics.After the analysis the joint of Submerged arc welding and Linear Friction Welding，it was found that the two joints can obtained the excellent organization of basket with netting on top , but the heat affected zone of Submerged arc welding has coarse grains.While analysised the linear friction welding joint of TC4,it was found that the joint corrosion resistance is weaker than base material, the weld exist the oxide and the inclusion.The existence of oxide significantly increase the joint hardness than base material. When the parameters design is reasonable and enough plasticity metal produced，has the direct impact on the existing of oxides and inclusion in the joint of Linear friction welding.The grain of heat affected zone act as thin strips and the grain streamline has the same direction of welding.The microhardness distribution in the vertical of interface is W shape，parallel of interface is C shape.Keyword：titanium alloy Linear Friction Welding joint tissue signature Signature of Supervision：1　前言1.1 选题依据及意义1.1.1 钛合金概述 钛是灰白色轻金属，熔点为1668℃，密度为4.54g/cm3，固态下有同素异构转变，转变温度为882.5℃，在882.5℃以下为α-Ti，882.5℃以上为β-Ti。

加入钛中的合金元素可以分为三类：α稳定元素、中性元素和β稳定元素α稳定元素是指提高钛的β转变温度的元素，这类元素的加入使得α相存在的温度范围更广，例如Al中性元素是指对钛的β转变温度没有影响的元素，这类元素在α和β相中溶解度大，甚至能形成无限固溶体，例如锆β稳定元素是指降低β转变温度的因素，该类元素的加入使得β相存在的温度范围变得更广，如钒根据钛合金在退火和淬火状态下组织的不同，可以把钛合金分为三类：α钛合金，β钛合金和α+β钛合金其对应牌号为TA，TB和TCα钛合金的组织全部为α固溶体，具有组织稳定、易焊接、耐腐蚀、韧性和塑性好等优点，但高温强度在三种钛合金中属于最差的，且不能进行热处理强化β钛合金的组织全部为β固溶体，该类钛合金生产工艺复杂且性能不太稳定β钛合金具有优良的冲压性和较高的强度，但耐热性差和抗氧化能力低β钛合金可以采用的热处理方法为淬火和时效强化α+β钛合金室温组织为α+β，具备α钛合金和β钛合金两者的优点，其强度高，塑性、耐热性、耐蚀性、和冷、热加工性能及低温性能好，且可以和β钛合金一样采用淬火和时效强化钛及钛合金是一种优良的结构材料具有密度小、比强高、耐热耐蚀性好、可加工性好等特点，因此在航空航天、化工、造船、冶金、仪器仪表等领域得到了广泛的运用[1]。

在航空燃气涡轮发动机结构质量中，1/3左右为钛合金，除了镍基超合金外，钛合金是标准的发动机材料随着航空制造工业的不断发展，钛合金成为航空航天工业及航空发动机结构中重要的结构材料[2-4]随着能源的不断使用其短缺的状况日益严重和突出，交通工具质量的减轻无疑是一个减少燃料使用和提高有效载荷的有效途径之一例如波音747需携带100t的燃料，如果飞机重量得到减轻10%，则可以简单的估算为有效载荷增加的10t，或者油耗量可以减少10t燃料量越少则质量越轻，相应可以使用更小更轻的发动机，与此同时起落架、机翼、支撑结构件均可以使用相应的更小的尺寸，使得飞机实现更进一步的减轻用钛合金构件取代部分钢构件，不仅能够满足设计和使用性能要求而且可以大大减轻交通工具的重量，也就意味着把能源损耗控制在了较低的水平，这些在当前能源供应日益匮乏的大背景之下具有非常重要的意义也是非常值得提倡的因此可以判定在未来的发展中钛合金的运用必定将越来越广泛1.1.2 钛合金焊接性分析钛合金往往采用焊接接头的韧、塑性和获得无缺陷焊缝的难易程度来评价其焊接性，具体可分为焊接接头区的脆化、焊接区裂纹倾向和气孔三部分1、焊接接头区的脆化。

钛合金焊接区易受到气体杂质的影响而使接头区产生脆化，如氧、氮、氢钛合金在250℃时开始吸氢、400℃吸氧、600℃吸氮，焊接过程中氢、氧、氮的吸入量越多，接头强度、硬度越高则接头塑性韧性下降，从而引起接头脆化碳也是引起脆化的一个因素，当焊缝中碳的质量分数为0.55%时，焊缝塑性几乎全部消失而变成塑性材料，碳来源主要由母材、焊丝和油污2、焊接区裂纹倾向裂纹倾向分为热裂纹、冷裂纹和延迟裂纹钛合金含S、P等杂质非常少，焊接时焊缝中不易产生产生低熔点共晶且结晶温度期间很窄，因此对热裂纹不敏感而氢在高温时容易从熔池扩散到热影响区使得HAZ的含H量高、形成的TiH2增加热影响区的脆性，且TiH2析出时体积膨胀引起组织应力，这些因素使得TC4钛合金延迟裂纹倾向大3、气孔气孔类型有：O2、H2、N2、CO2，钛合金主要是H2气孔气孔的产生主要是受到母材、焊材、保护气体、材质表面吸附的水份和气体等因素影响为防止产生气孔应采取适当的措施：对添加的焊丝进行烘干；采用高纯度的保护气体；焊前清理焊缝及附近区域并在清理后两个小时内完成焊接；选择合理的工艺参数1.1.3 线性摩擦焊简介线性摩擦焊是一种固相连接方法，焊接过程中轴向受到压力作的两个试样，在驱动力作用下一个试样相对另外一个试样做往复运动，摩擦过程中不断产生热量并熔化接触界面的金属，界面中形成的塑性金属不断被挤出形成飞边，然后停止往复运动并施加顶锻力完成焊接，其示意图如图1所示。

图1 线性摩擦焊焊接示意图线性摩擦焊焊接过程可以分为四个阶段（如图2所示），分别为：初始阶段，不稳定摩擦阶段，稳定摩擦阶段和顶锻阶段图2 线性摩擦焊焊接过。