TC11/TC17线性摩擦焊飞边及焊缝微区特征分析

2015-05-31中航工业北京航空制造工程研究所航空焊接与连接技术航空科技重点实验室季亚娟张田仓李晓红郭德伦

航空制造技术 2015年11期

中航工业北京航空制造工程研究所航空焊接与连接技术航空科技重点实验室季亚娟张田仓李晓红郭德伦

随着战斗机的不断更新换代，对发动机提出了更高的要求，以满足其推力和减重的要求。整体叶盘就是实现这一目标的关键结构之一，它具有减重、简化结构、增效等优点，已用于我国第四代战斗机发动机。线性摩擦焊在异种钛合金整体叶盘加工方面有独特的优势，具有接头性能好、焊接质量稳定、可实现异种材料焊接、焊接过程可自动化控制等优点，国外已经将该技术用于异种钛合金整体叶盘的制造。TC11和TC17钛合金具有良好的室温和高温性能，是发动机整体叶盘的常用材料。因此，本文针对TC11和TC17钛合金线性摩擦焊接头开展组织分析研究，为TC11和TC17钛合金线性摩擦焊整体叶盘研制奠定基础。

1 试验材料及方法

本试验选用的是航空发动机钛合金整体叶盘常用的TC11钛合金和TC17钛合金。TC11钛合金是一种综合性能良好的α-β型热强钛合金，在500℃以下有优异的热强性能（高温强度、蠕变抗力等），并且具有较高室温强度[1]。其主要化学成分见表1，母材由等轴α相和β转变组织组成，α相约占60%，尺寸约为15μm，见图1。

图1 TC11母材组织Fig.1 Microstructure of TC11 base metal

TC17钛合金是一种富β相的α-β型钛合金，该合金具有高强度、断裂韧度好、淬透性高和锻造温度范围宽等一系列优点[1]，用于航空发动机整体叶盘制造，主要化学成分见表1。其组织为典型的网篮组织，由片层α和β相组成，α相长度约为10～30μm，宽度约为 0.5～1μm，见图 2。

表1 TC11和TC17钛合金的化学成分（质量分数）%

待焊试样尺寸： 130mm×75mm×20mm，焊接面积为75mm×20mm，焊后对接头和飞边截取试样，进行金相组织、扫描电镜组织和透射电镜组织观察，研究飞边及接头组织特点，揭示线性摩擦焊接头组织形成规律。

2 接头组织分析

2.1 焊接飞边组织分析

图2 TC17母材组织Fig.2 Microstructure of TC17 base metal

线性摩擦焊过程是待焊两试件通过摩擦生热，使母材发生塑化，塑化金属在温度和力的作用下，挤出形成飞边，因此飞边组织的演变能在一定程度上反映线性摩擦焊接头组织的形成过程。

TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头外观形貌如图3所示，飞边颜色呈现青黄色，从飞边的尺寸来看，沿着振动方向的飞边（称为纵向飞边）长度较长，且呈现波纹状的纹理，该纹理的数量与线性摩擦焊过程总的振动有关，横向飞边的长度相对较短，飞边卷向较硬的TC17钛合金一侧。

图3 接头外观形貌Fig.3 Appearance of joint

对横向飞边和纵向飞边解剖并进行金相组织观察，宏观金相见图4和图5，从图中可以看出，异材焊接时，挤出的飞边并不是两种合金的均匀混合组织，图4飞边宏观组织中颜色较深侧为TC17钛合金，另一侧为TC11钛合金，TC11侧飞边的厚度大约为TC17侧的2～3倍。从图4宏观形貌图中还可以看出，TC11钛合金先被挤出，然后2种材料同时挤出形成飞边。如图4（a）纵向飞边的尖端由发生变形的组织及发生动态再结晶的组织组成，分析认为产生该现象的原因是在摩擦的初始阶段，位于摩擦面近区的金属在摩擦力和摩擦热的作用下，发生动态再结晶，而相邻金属发生塑化，金属的强度急剧下降，发生再结晶的金属在被挤出形成飞边时，将附近未发生再结晶的金属一同带出，形成该组织特征。而飞边中部及根部组织（见图4（c）和（d））均为发生动态再结晶的组织，并在界面处形成了共生晶粒，同时晶粒内部组织为细小的片层组织，表明焊接过程的温度超过钛合金的再结晶和相变温度。

横向飞边的组织与纵向飞边类似，如图5所示，即TC11先被挤出形成飞边，飞边中部（图5（a））和根部（图5（c））均为动态再结晶组织，并且在界面处形成共生晶粒。

图4 纵向飞边组织Fig.4 Microstructure of flash along oscillation

图5 横向飞边组织Fig.5 Microstructure of flash perpendicu lar to oscillation

从某种程度上讲，飞边内微观组织特征反映了焊缝内微观组织的演变过程。在一定的焊接参数下，随着摩擦时间的延长，界面温度增加，TC11钛合金先发生塑化被挤出焊缝，随着摩擦的进行，TC17钛合金也达到塑化状态，形成异种材料飞边挤出，飞边的界面处均发生了再结晶，并且形成了共生晶粒。摩擦阶段后期界面温度趋于恒定，界面塑性金属层将处于稳定的流动状态，飞边挤出均匀，从而为获得成形良好的线性摩擦焊接头创造了条件。通过对飞边微观组织的分析，仅能获得界面处金属初始挤出过程微观组织演变过程。而为了更全面了解线性摩擦焊各阶段金属微观组织的演变过程，还需对接头微观组织的演变行为进行系统研究。

2.2 接头组织

2.2.1 宏观组织

图6 接头宏观组织Fig.6 Macrostructure of joint

图7 接头不同部位宏观组织Fig.7 Microstructure of different locations of joint

TC11/TC17线性摩擦焊接头的宏观形貌见图6，可以看出，经过腐蚀后，焊缝呈现腰鼓形状。TC17侧能观察到明显晶粒。从图6中可以看出，接头明显分为5个区域：TC11母材、TC11侧热力影响区（Thermal Mechanical Affected Zone，TMAZ）、焊合区（Weld zone，W）、TC17侧热力影响区和TC17母材。从图7接头上部、中间和下部组织可以看出，与图6相对应，上部和下部的焊缝较宽，宽度约为2mm，中间较窄约为1mm，这与焊接接头形成过程有关。中部金属塑化在接头上下两端挤出形成飞边，同时挤出的飞边对焊缝边缘有再加热；上部和下部的组织均沿着飞边挤出方向被拉长，而且离边缘越近，晶粒变形越剧烈，而接头中部的组织未被拉长，见图7（c），且TC17侧热力影响区为明显的等轴晶粒。

2.2.2 显微组织分析

（1）TC11侧热力影响区组织。

TC11侧热力影响区由高度变形的α相和β转变组织组成，见图8。α相由原来母材的等轴晶粒沿着飞边挤出方向被拉长[2-4]，靠近母材侧的拉长α相尺寸较大而接近焊合区时α相完全溶解，热力影响区与母材组织相似，表明TC11侧热力影响区的温度未超过β转变温度，只发生了α相和β相晶粒沿受力方向重新排列。

图8 TC11侧热力影响区组织Fig.8 Thermal mechanical a ffected zone of TC11

（2）TC17侧热力影响区组织。

与TC17母材组织相比，热力影响区原始β晶粒沿着受力方向被拉长，原始母材β转变组织的片层宽度大大减薄，长度也变短，但是该区组织特征与原始母材类似（图9），说明该区的焊接温度并未达到相变温度。

图9 TC17侧热力影响区组织Fig.9 Therma l Mechanical affected zone of TC17

（3）焊合区组织。

图10 焊合区组织Fig.10 Microstructure of weld zone

图11 焊合区TEM组织Fig.11 TEM Microstructure of weld zone

从图10（a）和（b）可以看出，TC11侧组织明显不同于母材组织，这是由于焊接过程中，该区的温度达到了TC11钛合金的β相变温度以上，β晶粒发生变形，并发生动态再结晶形成等轴β晶粒，尺寸约为12～16μm，在焊后冷却过程中，在β晶界和晶内析出片层α相，形成魏氏组织，其中α片层的长度为1～10μm。而TC17侧焊合区则形成了等轴的亚稳态β晶粒，晶粒尺寸约为5～8μm。而且在焊合线附近的平均晶粒尺寸要小于其他焊合区的晶粒，是由于在近界面处不断有新的晶粒形核且由于摩擦的作用只有在摩擦停止后发生长大，而远离焊合线的晶粒则在焊接过程中发生长大造成的。

而图11透射电镜分析表明TC11和TC17侧焊合区存在高密度位错，这与线性摩擦焊过程中大的应力和应变速率有关，这些位错的存在为摩擦焊过程原子的扩散提供了通道。从图11可以看出在焊合线处存在组织过渡区，结合界面处典型元素的浓度测试，发现该处存在元素扩散层。

综上所述，线性摩擦焊接头焊合区均为等轴晶，且焊接界面处存在组织过渡而未发生组织突变，并且存在7～10μm的扩散层，这些都是使线性摩擦焊接头性能良好的原因。