(1.北京科技大学，北京 100083； 2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊热变形组织及行为分析

王彬1黄继华1张田仓2季亚娟2何胜春2

(1.北京科技大学，北京 100083； 2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

建立了FGH96/GH4169惯性摩擦焊接头组织形成过程的有限元模型,分析了焊缝热变形组织和飞边的形成模式。结果表明，摩擦热的作用使近摩擦面处母材形成塑性层，塑性层在轴向顶锻力作用下发生塑性流动，形成拉长组织并在摩擦面高温、高压及高应变速率作用下发生动态再结晶，拉长组织边界消失，再结晶晶粒呈无序等轴状。摩擦面金属沿径向流动，在边缘处挤出，其摩擦面延伸侧受拉应力作用，最终形成卷曲飞边并实现自清理作用。

高温合金惯性摩擦焊热变形组织

0 序 言

惯性摩擦焊通过高速旋转运动对焊试件间的摩擦作用提供热源，在摩擦界面及其近区域金属达到塑性状态后，施加轴向压力获得固相连接接头。其工艺高效、优质、环保，在汽车、航天以及航空领域，尤其是在高温合金的连接方面有广泛的应用前景。目前很多先进航空发动机公司在高推重比发动机的压气机转子及涡轮部件连接领域都选用惯性摩擦焊作为关键工艺。研究工作者对惯性摩擦焊技术的接头微观结构、温度应力场及材料流动性进行了大量的研究[1-6]。惯性摩擦焊焊缝区受热循环和机械作用影响剧烈，组织变化程度大，晶粒的生长动力学非常复杂。最后在焊缝心部形成等轴细晶组织及拉长晶粒，同时塑性金属在径向应力的作用下沿摩擦面移出形成飞边，飞边是惯性摩擦焊的典型宏观特征，其组织形貌对焊接接头有重要的影响。

FGH96粉末高温合金是当前制造750 ℃工作温度下涡轮盘等热端部件关键材料[7]，GH4169高温合金是650 ℃工作温度下航空发动机涡轮轴的常用材料[8]。文中以航空发动机整体涡轮转子焊接制造为应用目标，用惯性摩擦焊技术得到了FGH96/GH4169异质高温合金接头，对接头微观组织形貌进行分析，建立了焊缝组织形成的数理模型，解释了飞边微观组织形貌的形成行为，为FGH96/GH4169惯性摩擦焊的应用提供了技术理论参考。

1 试验材料与方法

试验用FGH96合金以γ′相为主要强化相，体积分数约占36%，所用另一种材料GH4169合金为沉淀强化型镍基高温合金，主要强化为由γ″相、γ′相及δ相。采用MTI MODEL-300BX惯性摩擦焊机对两种材料进行了惯性摩擦焊连接，焊接面为φ60 mm×40 mm圆环。焊接工艺参数为转动惯量为2 493 kg·cm2，飞轮转数600～900 r/min，顶锻压力12.4～17.9 MPa。

如图1所示，研究飞边的形成与材料塑性流动。焊后用CuCl2盐酸酒精试剂腐蚀抛光后的试样，在DSX500光学显微镜和Quanta 250扫描电镜下观察惯性摩擦焊接头的组织形貌，进行分析并建立物理模型。

图1 惯性摩擦焊的数值模型

应用DEFORM软件建立惯性摩擦焊的三维热力耦合有限元模型。

2 试验结果与讨论

2.1 接头热变形组织

图2为FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊接头组织。可以发现，接头实现良好焊合，界面呈现锯齿或波浪状。惯性摩擦焊接过程中，对焊件相对高速旋转摩擦，在摩擦面生成高温，顶锻过程产生高压，摩擦面金属发生剧烈的塑性变形，金属间发生流动、犁割与扩散等现象。焊后接头在沿垂直焊缝方向形成基本对称分布的五个区域。接头中心温度高，压力大，变形速率快，金属发生充分动态再结晶，形成等轴细晶区(WZ)，等轴细晶区外侧温度和压力有所降低，不足以使FGH96合金与GH4169合金发生动态再结晶，而使其在温度压力作用下形成拉长组织，可称为热机影响区(TMAZ)，热机影响区外侧为母材的初始组织(BM)。

图2 接头组织形貌

在惯性摩擦焊过程中飞轮存储大量转动能量，摩擦时其机械运动转化为焊接界面的分子热运动，产生了大量的摩擦热，高温作用下近摩擦面的母材形成塑性软化层。塑性软化层在顶锻轴向压力和摩擦剪切压力作用下发生塑性流动，其流动质点的速度和方向随焊接过程不断发生变化,其流动形式属于非稳定流场。特别是在摩擦面的边缘位置，其径向约束弱，流动金属在该位置流出摩擦面，如图3所示,箭头方向为软化层的流动方向,最后沿径向凸出形成飞边。

2.2 飞边形貌及行为分析

惯性摩擦焊会在摩擦面边缘处挤出飞边，如图4所示，靠近摩擦面侧为细晶组织，由摩擦面挤出的金属构成，远离摩擦面侧为拉长晶粒，由未发生动态再结晶的组织构成。飞边是惯性摩擦焊的典型热变形结构，且环形试件后续加工过程中，内飞边难以清除，常成为影响接头性能的关键因素，因此研究其形成过程对焊接接头有重要的影响。

图3 接头塑性软化层的流动

图4 飞边组织形貌

为研究惯性摩擦焊接头飞边形貌及摩擦面金属流动，依据GH4169合金本构方程建立有限元模型。本构方程通过GLEEBLE模拟试验建立如式(1)：

(1)

考虑到摩擦界面及其近域材料温度变化与塑性流动较为剧烈，界面区域网格采用加密划分。模拟中，采用自适应网格技术对发生畸变的单元进行网格重划以保证计算精度。同时，由于圆环结构具有对称性，采用1/4模型进行计算以减小计算量。

图5为摩擦焊8.5 s时刻的温度分布等高线图，可见温度场基本以中心对称，摩擦后在摩擦面处形成了一个高温区，温度梯度沿垂直摩擦面方向变化很快，在平行摩擦面方向形成不同软化程度的塑性金属层。此时摩擦产生的热量与通过飞边扩展及热传递散失的热量基本形成动态准平衡，界面温度保持准稳定，表面塑性金属在顶锻力作用下不断挤出，同时新的塑性金属层持续生成，厚度基本保持均匀化。

图6为摩擦焊接8.5 s时刻的轴向应力分布等高线图，可见试件主要承受轴向压应力作用，但在摩擦面延伸部分压应力转变为拉应力。

图5 8.5 s时刻温度分布

图6 8.5 s时刻轴向应力分布

摩擦焊过程中，摩擦面上温度逐渐升高，界面金属变形抗力减小，金属的流动速度逐渐增大，摩擦面对称于中心区域出现形成流动分界圆，分界圆内侧的金属沿径向向圆心流动，分界圆外侧的金属材料沿径向背离圆心流动，如图7所示。在顶锻压力的作用下，在拘束较弱的表面边缘位置，金属不断被挤出。摩擦面主要承受轴向压应力作用，并且压应力基本保持稳定状态，但挤出金属在摩擦面延伸区域承受拉应力作用，在另一侧则仍受压应力作用。在两种应力共同作用下，挤出金属向顶锻压力反方向卷曲从而形成飞边。

图7 8.5 s时刻流动速度矢量分布

2.3 摩擦面金属流动

为进一步表征摩擦面金属的流动情况，在摩擦面选取了2点进行分析，点P1与P2分别位于摩擦面径向焊件中心两侧的位置。摩擦初期，P1与P2在径向的位移为0，如图8a所示。摩擦后期，随温度升高、顶锻力作用及材料变形抗力减小，P1与P2在径向出现位移，并迅速增大，接近摩擦面边缘时，位移变慢，P1与P2进入飞边，如图8b所示。在拉应力作用下开始卷曲运动，从而实现惯性摩擦焊的自清理作用，摩擦面的氧化物等夹杂随金属流动被挤出的飞边带走。

图8 惯性摩擦焊过程P1,P2流动位置

为验证摩擦面金属的流动情况，采用紫铜丝作为示踪材料进行了焊接，焊后金属流动形貌如图9所示，表面紫铜确实随金属流动出现于飞边处，证实了数值分析的结果。

图9 惯性摩擦焊紫铜丝流动位置

3 结 论

(1)焊接接头的微观组织形貌由焊接面处等轴细晶区、呈现为拉长晶粒组织的热机影响区以及母材区域组成。

(2)有限元模型显示摩擦焊过程在垂直摩擦面方向有较大的温度梯度分布，摩擦面受轴向压应力作用，在边缘处由于约束弱致使金属挤出，挤出金属在摩擦面延伸侧承受拉应力作用，最终形成焊接飞边。

(3)顶锻过程中摩擦面对称于中心区域出现形成流动分界圆，金属质点沿径向流动进入飞边，夹杂随金属流动产生惯性摩擦焊的自清理作用。

[1] Karadge M，Grant B，Withers P J，et al. Thermal relaxation of residual stresses in Nickel-based superalloy inertia friction welds[J]. Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science，2011，42(8):2301-2311.

[2] Bennett C J，hyde T H，Shipway P H. A transient finite element analysis of thermoelastic effect during inertia friction welding[J]. Computational Materials Science，2011，50(9): 2592-2598.

[3] 刘伟伟，张立文，张全忠，等. 不同能量密度的环件惯性摩擦焊接过程数值模拟[J]. 焊接学报，2007，28(7):72-76.

[4] 卜文德，刘金合，贾中振. Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟[J]. 焊接，2009(4):39-42.

[5] 赵红凯, 肖 锋, 任 飞, 等. TC4 钛合金高转速惯性摩擦焊接头组织及性能分析[J]. 焊接, 2008(11): 46-49.

[6] 陈大军, 徐晓菱, 徐元泽, 等. K418 涡轮盘与 42CrMo 轴异种材料惯性摩擦焊研究[J]. 焊接, 2008(6): 58-60.

[7] Ning Y Q，Yao Z K，Guo H Z，et al. Investigation on hot deformation behavior of P/M Ni-base superalloy FGH96 by using processing maps [J]. Material Science and Engineering A，2010，527(26): 6794-6799.

[8] 庄景云，杜金辉，邓 群，等. 变形高温合金GH4169[M]. 北京:冶金工业出版社，2006.

2016-12-05

TG453

王 彬，1979年出生，博士研究生。主要从事惯性摩擦技术研究，已发表论文6篇。