郭震国, 马铁军*, 李 菊, 李文亚, 周 辉

（1.西北工业大学 材料学院 陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室, 西安 710072；2.中国航空制造技术研究院 航空焊接与连接技术航空科技重点实验室, 北京 100024）

线性摩擦焊 (linear friction welding，LFW)可实现非轴对称复杂截面金属构件的固相连接[1-3]，已经成为航空发动机整体叶盘制造与修复的核心技术[4-5]。目前国内外围绕整体叶盘用航空钛合金(TA19、Ti17 等)LFW 开展了大量实验研究[6-7]。以LFW 技术的高效性及高可靠性等显著优势，分体制造+LFW 整体焊接可能发展成为未来航空承力结构件制造的关键手段。中国航空制造技术研究院已申请了利用LFW 焊接飞机钛合金框梁的专利[8]，并完成了某钛合金承力梁的焊接实验研究[9]。损伤容限型钛合金由于其低裂纹扩展速率和高断裂韧性的特点，在航空承力构件的制造中应用广泛。因此，开展损伤容限型钛合金LFW 相关研究具有重要意义。

TC4-DT 钛合金是我国西北有色金属研究院和北京航空材料研究院共同研制的一款新型中强(Rm≥ 825 MPa)、高韧性(KIC≥ 90 MPa·m1/2)损伤容限型钛合金[10-11]。该合金是在TC4 钛合金的基础上，通过纯净化熔炼降低了C、N、O、H 等间隙元素，并通过新型β 热处理工艺而获得。由于晶粒尺寸较大，晶内呈片层集束特征，TC4-DT 钛合金具有很高的断裂韧性，且兼具较高的强度与塑性，其性能与美国第四代战机F-22 上用量最大的损伤容限型钛合金TC4 ELI 相当[12-13]，主要用于制造飞机大型整体化框、梁等承力构件。目前，针对TC4-DT 钛合金LFW 焊接，仅有中国航空制造技术研究院进行了接头力学性能及焊接过程数值模拟的初期研究。刘颖等[14]发现，TC4-DT 钛合金LFW 接头经过700 ℃+保温3 h 的热处理后，接头的室温和高温抗拉强度达到母材的97%，室温和低温冲击性能略高于母材，室温低周疲劳性能与母材相当，具有良好的综合力学性能。金俊龙等[15]建立了TC4-DT 钛合金LFW 接头三维刚塑性有限元模型，模拟结果显示TC4-DT 钛合金LFW 准稳态摩擦阶段界面温度达到了1200 ℃。本研究旨在深入开展TC4-DT 钛合金LFW 接头组织特征及其形成机制研究，为掌握该合金重要构件接头形性控制工艺奠定基础。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验所用TC4-DT 钛合金母材(BM)微观组织如图1 所示。从光镜组织(图1（a）)可看出，母材为典型的魏氏组织，原始β 晶粒粗大，大部分尺寸超过500 μm；晶界α 清晰完整，β 晶粒内部为不同位向的α 集束，不同α 集束尺寸存在较大差异。电镜组织(图1（b）)显示，α 集束由位向相同的大长宽比层片α 和层间β 组成，层片α 厚度约1.2～2 μm，层间β 厚度约0.1～0.4 μm，α/β 相界平直。TC4-DT 钛合金母材的化学成分如表1 所示。

图1 TC4-DT 母材微观组织 （a） OM； （b） SEMFig. 1 BM microstructure of TC4-DT (a) OM； (b) SEM

表1 TC4-DT 钛合金化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of TC4-DT（mass fraction/%）

1.2 实验方法

焊接实验在中国航空制造技术研究院自行研制的15 t LFW 焊机上进行，焊接面面积为25 mm×12.5 mm。焊接参数如表2 所示。

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding process parameters

焊后切割金相试样，打磨抛光后，利用Kroll 试剂(0.5% HF+1.5% HNO3+2% HCl+96% H2O)腐蚀，随后在PMG3 光学显微镜及G4 CX 型聚焦离子/电子双束电镜下观察接头宏、微观组织特征。沿垂直于焊缝方向进行接头显微硬度测试，步长为100 μm，载荷为300 g，保压时间为15 s。

2 结果与讨论

2.1 接头光镜组织特征

图2 为接头光镜组织照片。由接头纵向剖面低倍组织(图2（a）)可看出，接头中心到母材(BM)呈现出不同组织特点。接头中心约300 μm 范围内组织细密均匀，为焊缝区(WZ)；靠近WZ 约300 μm 范围内组织发生明显变形，该区域为热力影响区(TMAZ)；TMAZ 之外约1000 μm 范围内组织未发生变形，形貌与BM 基本相似，但可见浅色组织显著增多，其为热影响区(HAZ)。

图2(b)为WZ 放大组织，其与BM 组织完全不同，晶粒明显细化，表明WZ 在LFW 过程强烈的热力耦合作用下发生了动态再结晶。另外，由于LFW 过程周期性挤出高温塑性金属带走大量的热，WZ 与周围母材形成很高的温度梯度，焊后冷却速率快导致WZ 析出大量α′马氏体，光镜下呈现为交错的短黑线。

图2(c)为TMAZ 放大组织。与等轴和双态TC4 钛合金LFW 接头TMAZ 在较大宽度范围内由不同程度变形晶粒形成典型流线形貌的组织特征相比，TC4-DT 钛合金LFW 接头TMAZ 宽度明显较窄，在基本小于BM 晶粒直径均值范围内受强烈梯度热-力影响形成如下特征：靠近WZ 区域，组织破碎和变形非常严重，已完全观察不到原始晶界及层片组织形貌，且α/β 相界已无法辨认；靠近HAZ 区域，可见部分α 集束在热力耦合作用下发生了明显弯折变形。上述的TMAZ 特征的形成，一方面在于LFW 局部大变形的工艺特点使TMAZ窄小区域内受到强烈的热力耦合作用；另一方面在于TC4-DT 优异的损伤容限性能，魏氏组织的大尺寸晶粒及不同位向的α 集束大幅提高了组织的抗变形能力。正是因为这样的TMAZ 特征，毗邻该区域的母材组织仅受到热的影响形成了钛合金LFW 接头不常见的HAZ。由HAZ 放大组织(图2（d）)可看出，该区部分α 集束内层片α/β 相界变得模糊不清，与BM 相比浅色区域明显增多，说明显微组织发生了一定程度的变化。

图2 接头光镜组织 （a） 纵剖面； （b） WZ； （c） TMAZ； （d） HAZFig. 2 OM microstructure of the joint (a) cross section； (b) WZ； (c) TMAZ； (d) HAZ

2.2 接头电镜组织特征

图3 为接头不同分区扫描电镜组织。在WZ(图3（a）)中可观察到大量α′马氏体，部分呈条块状，部分呈针状。该组织特征表明LFW 过程中WZ 超过了β 转变温度(970 ℃)[14]，并发生了充分的α→β 转变，在焊后快速的冷却过程中高温β 发生无扩散型相变形成大量α′马氏体。此外，WZ 还可观察到许多细小的二次层片状α。Lu 等[12]在研究TC4-DT 钛合金电子束焊时发现，接头热影响区温度超过β 转变温度发生了β→α′转变，还由于该区域温度超过马氏体转变温度发生了β→α 扩散型转变，生成了许多细小的层片状α。因此本研究认为，TC4-DT 钛合金的LFW 过程中WZ 也发生了β→α′及β→α 两种相变。WZ 中针状和条块状α′以及二次层片状α 的大量析出掩盖了再结晶β 晶粒的晶界，使得WZ 难以观察到完整清晰的再结晶晶粒。

靠近WZ 的TMAZ 扫描电镜组织如图3(b)所示，组织沿线性摩擦方向破碎变形严重，已经看不出母材中α 集束的组织特征。该区域可观察到少量针状α′马氏体以及许多二次层片状α，是由于焊接过程中邻近WZ 温度也超过了β 转变温度并发生了β→α′及β→α 转变。靠近HAZ 的TMAZ 电镜组织如图3(c)所示，可以发现该区域保留了大致的原始母材层片组织特征，热力耦合的影响下α 集束明显弯折变形，α/β 相界不再平直。此外，还可以看出层间β 内大量析出二次层片状α 而无α′马氏体，表明该区域温度低于β 转变温度。

与BM 组织对比可以发现，HAZ(图3（d）)仍基本保留了母材原有的α 集束特征，但一些α 集束内的层间β 含量明显减少。这是由于HAZ 受到摩擦界面传递过来的热量影响，加速了元素扩散过程，一些α 相在α/β 相界上通过元素扩散的方式消耗层间β 进行长大[16]，这也是光镜下HAZ 浅色区域明显增多的原因。

图3 接头不同区域电镜组织 （a） WZ； （b） TMAZ 近WZ； （c） TMAZ 近HAZ； （d） HAZFig. 3 SEM microstructure of the joint (a) WZ； (b) TMAZ near WZ； (c) TMAZ near HAZ； (d) HAZ

2.3 接头显微硬度

接头垂直于焊缝方向显微硬度的测试结果如图4 所示，显微硬度值整体呈中间和两侧较低的“M”形分布。WZ 平均显微硬度高于母材，约325HV 左右，是由于WZ 晶粒细小，且析出大量α′马氏体及二次层片α，存在细晶强化及第二相强化作用。TMAZ 平均显微硬度值最高，达到350HV，是因为TMAZ 内层片组织发生强烈变形引起形变强化，焊后冷却过程中析出了少量α′马氏体及大量细小的二次层片α，存在第二相强化。相比BM，HAZ 内层间β 消耗，层片α 长大粗化。由于β 相为体心立方结构，其滑移系较多，显微硬度较低；α 相为密排六方结构，滑移系较少，显微硬度较高。因此，HAZ 整体显微硬度略高于BM，且越接近TMAZ 由于层间β 消耗程度越大，显微硬度越高。由于TC4-DT 母材不同α 集束内部层片α 相尺寸与位向存在差异，导致不同α 集束显微硬度值也存在差异。HAZ 组织与BM 基本相似，均由尺寸与位向不同的α 集束组成，因此HAZ 和BM 显微硬度值呈明显的上下跳动变化。

图4 接头显微硬度分布Fig. 4 Microhardness distribution of the joint

3 结论

(1) TC4-DT 钛合金LFW 接头WZ 发生了动态再结晶。焊接过程中WZ 温度超过了β 转变点，焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α 两种相变，析出了条块状和针状α′马氏体以及二次层片α。细晶强化及第二相强化的作用使WZ 显微硬度高于BM，达到325HV。

(2) 由于TC4-DT 钛合金优异的损伤容限性能，焊接过程中接头组织表现出了较高的变形抗力，最终形成了较窄的TMAZ。TMAZ 内组织变形严重，α 集束弯折甚至破碎，此外还在冷却过程中析出了少量α′马氏体及大量二次层片α。TMAZ组织的形变强化以及第二相强化使其显微硬度最高，达到350HV。

(3) 由于TMAZ 较窄，毗邻该区域的BM 组织仅受到热的影响形成了钛合金LFW 接头不常见的HAZ。HAZ 保留了BM 不同位向的α 集束的组织特征，但在热的作用下α 集束内α/β 相界两侧元素相互扩散，层间β 消耗，初生α 长大，导致该区域显微硬度略高于BM。