線性摩擦焊接頭形成過程及機理

張傳臣，張田倉，季亞娟，黃繼華

(1 北京航空制造工程研究所 航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室，北京 100024； 2 北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

?

線性摩擦焊接頭形成過程及機理

張傳臣1，張田倉1，季亞娟1，黃繼華2

(1 北京航空制造工程研究所 航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室，北京 100024； 2 北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

分析了異質鈦合金線性摩擦焊接頭焊合線近域組織結構，結合飛邊形貌及組織特點，探討了線性摩擦焊接頭的形成機理。結果表明，在線性摩擦焊接過程中摩擦界面溫度超過鈦合金基體材料相變點，焊后摩擦界面兩側均有高溫塑性層殘留并發生再結晶，焊縫區為完全再結晶組織，TC11側焊縫區為細小針狀組織，TC17側焊縫區為亞穩態β組織。異質鈦合金線性摩擦接頭形成機理研究表明，在線性摩擦焊接過程中以及焊后摩擦界面始終存在，界面兩側的高溫黏塑性金屬沒有發生機械混合，界面兩側原子發生了擴散遷移現象，在接頭結合界面處形成擴散過渡區。摩擦焊通過擴散與再結晶的共同作用形成焊接接頭。

線性摩擦焊；界面；形成機理；擴散

航空發動機是飛機的心臟，其推重比是影響飛機機動性能的關鍵因素，減重是提高發動機推重比的一個重要途徑。“整體葉盤”結構是提高推重比的關鍵件之一，這種結構無需榫頭、榫槽，盤的輪緣徑向高度、厚度及葉片原榫頭部位尺寸均明顯減少，減重效果顯著，且結構明顯簡化[1-3]。線性摩擦焊(Linear Friction Welding, LFW)是整體葉盤的一種新型焊接方法，由于其焊接接頭質量高、再現性好、焊接效率高，還可以對損壞的單個葉片進行修理，已成為焊接高推重比航空發動機整體葉盤最優的焊接方法之一[4-8]。目前，國外的相關發動機生產商已成功將線性摩擦焊技術用于生產發動機渦輪。

線性摩擦焊焊接過程中，移動工件在液壓力作用下穩步向振動工件靠近，當兩工件接觸后，在摩擦壓力作用下，摩擦界面上的凸起部分首先發生摩擦、黏結與剪切，并迅速產生大量摩擦熱。隨著摩擦的繼續，實際接觸面積進一步增大，摩擦力迅速升高，摩擦界面溫度也隨之快速上升，在熱激活作用下，界面近域的高溫黏塑性金屬中的組元發生快速擴散、遷移。同時在摩擦壓力作用下，摩擦界面處的高溫黏塑性金屬被擠出界面形成飛邊，試件縮短量逐漸增大。當摩擦界面的溫度達到動態平衡以后，縮短量均勻變化，界面溫度不再升高。在頂鍛過程中，焊合區原子通過相互擴散與再結晶，使兩側金屬牢固焊接在一起，從而完成整個焊接過程[9-15]。

但是，對于線性摩擦焊接頭的形成機理缺乏全面系統的認識，缺少微觀機理的數據支撐，而研究接頭的形成機理對指導實際焊接生產，改善接頭組織與性能具有重要理論指導意義。

本工作以航空發動機雙性能盤常用材料TC11和TC17異質鈦合金線性摩擦焊接頭為對象，研究線性摩擦焊接頭的形成過程及機理。

1 實驗材料及方法

本實驗中TC11鈦合金組織為等軸的α和針狀(α+β)，如圖1所示。TC17鈦合金組織為雙態組織，由等軸α+網籃的(α+β)組成，如圖2所示。

TC11和TC17試件摩擦面的尺寸均為75mm×20mm，焊接實驗在北京航空制造工程研究所研制的LFW-1型線性摩擦焊機上進行。

圖1 TC11母材組織形貌Fig.1 Micrograph of TC11 base metal

圖2 TC17母材組織形貌Fig.2 Micrograph of TC17 base metal

圖3為線性摩擦焊原理示意圖，焊后施加頂鍛力。主要焊接參數為振幅4.2mm，摩擦時間5s，摩擦壓力60MPa，頻率30Hz。

圖3 線性摩擦焊原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of LFW

2 實驗結果及分析

焊后試樣宏觀形貌如圖4所示，焊縫結合界面邊緣處形成了大量飛邊。

圖4 接頭宏觀形貌Fig.4 Macrograph of the joint

圖5為振動方向一側飛邊低倍組織形貌。從圖5可以看出，兩側基體在摩擦過程中產生的高溫黏塑性金屬在摩擦壓力作用下被一起擠出界面，且在被擠出過程中，在往復摩擦壓力作用下高溫黏塑性金屬沒有發生完全混合現象，結合界面清晰可見。同時還可以發現，在飛邊形成過程中TC11界面產生的飛邊量多于TC17側。

圖5 TC11+TC17飛邊低倍形貌Fig.5 Macrograph of the flash

圖6為TC11+TC17接頭形貌圖片，可以看出，結合界面兩側分為明顯的三個區，焊縫區(WZ)，熱力影響區(TMAZ)和母材區(BM)。

圖6 TC11+TC17接頭形貌Fig.6 Morphology of TC11+TC17 joint

圖7為接頭結合界面顯微結構圖片，與母材組織相比，界面兩側焊縫組織均發生了明顯的再結晶。TC11由原始的等軸組織變為典型的針狀組織，TC17側焊縫形成了亞穩態的β晶粒，且在結合界面處形成了共生晶粒。仔細觀察可以發現在結合界面處存在寬度為5～8μm的組織過渡區，過渡區內的組織比焊縫組織更加細小，為界面近域典型原子擴散提供了快速通道[2,3]。

圖8為TC11+TC17線性摩擦焊接頭飛邊結合界面高倍顯微結構形貌。可以看出，在高倍下異質鈦合金的飛邊界面依然存在，界面兩側高溫黏塑性無明顯的機械混合現象，從圖8(a)光學顯微鏡照片中可以發現金屬在界面處形成了共生晶粒。從圖8(b) SEM照片中可以發現，在界面結合處存在較窄的細小組織過渡區。高溫黏塑性金屬在形成過程中經歷了嚴重的塑性變形，且焊后飛邊組織并不是變形組織，而是再結晶組織，其顯微結構與焊后接頭結合界面顯微結構完全相同，結合界面均沒有消失，TC11側為細小針狀組織，TC17側為亞穩態β組織，且在結合界面處均形成了組織過渡區，說明摩擦焊接頭組織是殘留在摩擦界面處的高溫黏塑性金屬焊后再結晶形成的。

圖7 TC11+TC17接頭結合界面顯微結構Fig.7 Microstructure of TC11+TC17 joint interface

圖8 TC11+TC17接頭飛邊顯微結構 (a)光學顯微鏡照片;(b)掃描電鏡照片Fig.8 Microstructures of TC11+TC17 flash (a)OM;(b)SEM

由于結合界面處存在組織過渡區，初步判斷是由于焊后組元快速擴散形成的元素擴散過渡區。鑒于TC11和TC17基體中合金組元較多，且組元之間在擴散過程中會產生相互影響，為了盡可能減少組元間的相互作用，并體現摩擦接頭中組元的擴散行為，本工作采用組元相對較少的TC4與TA0進行線性摩擦焊，焊后分別急冷和空冷，并對結合界面近域典型元素濃度進行檢測，典型元素濃度檢測結果如圖9所示。從圖中可以看出，淬火后結合界面近域典型元素Al和V的過渡區在3μm左右，而空冷接頭結合界面Al和V的過渡區在6μm左右。通過對焊后元素過渡區的對比可以發現，焊接停止以后，空冷接頭結合界面近域原子越過界面快速擴散，形成了一定的擴散過渡區，而淬火接頭由于冷卻速率較快，導致原子擴散所需的驅動力快速減小，因此形成的擴散過渡區較窄。說明在異質鈦合金線性摩擦焊結合界面處的組織過渡區為焊后界面原子快速擴散形成的擴散過渡區。

在整個摩擦焊接過程中，摩擦界面不斷更新。焊后由于界面溫度較高，且在形成過程中殘留的少量高溫塑性層經歷了嚴重的塑性變形，原始晶粒破碎，組織被大大細化，塑性層中的原子被充分激活，原子很容易跨過界面進行擴散。圖10為焊后殘留高溫黏塑性金屬結合界面近域原子擴散示意圖。從圖10可以看出，界面兩側殘留塑性層中的原子越過界面進行互擴散。

圖9 TC4+TA0線性摩擦焊結合界面近域原子濃度分布 (a)焊后淬火;(b)焊后空冷Fig.9 The atomic concentration of TC4+TA0 LFW joint at the interface (a)quenching after welding；(b)air cooling after welding

圖10 結合界面原子擴散示意圖Fig.10 Diffusion sketch map at the bonded interface

焊后接頭各區分布如圖11所示。異質材料焊接時，原子互擴散后，由于界面兩側基體組元存在濃度差，在結合界面處形成了明顯的元素擴散過渡區，且原始摩擦界面不會消失。由于塑性層經歷了嚴重變形，且在變形過程中會產生大量的微觀缺陷，焊后界面溫度很高，因此形核率很快，高溫黏塑性金屬完全發生再結晶，形成再結晶區，即焊縫區(WZ)。熱力影響區因變形溫度較低，低于基體材料相變點，其組織主要為變形組織。

圖11 摩擦焊接頭焊后各區分布示意圖Fig.11 Sketch map of the joint zone after welding

3 結論

(1)焊后結合界面處有高溫塑性層殘留，結合界面兩側的原子通過相互擴散在結合界面處形成擴散過渡區。

(2)線性摩擦焊接過程中，焊縫區為完全再結晶組織，界面溫度超過鈦合金基體材料的相變點。

(3)摩擦焊通過擴散與再結晶的共同作用形成焊接接頭。

[1] VAIRIS A，FROST M.Modelling the linear friction welding of titanium blocks [J]. Materials Science and Engineering: A，2000，292：8-17.

[2] WANJARA P, JAHAZI M.Linear friction welding of Ti6Al4V：processing，microstructure，and mechanical-property inter-relationships [J]. Metallurgical and Materials Transactions: A， 2005，36(8): 2149-2164.

[3] LANG B，ZHANG T C，LI X H, et al. Microstructural evolution of a TC11 titanium alloy during linear friction welding[J].Material Science，2010，45:6218-6224.

[4] KARADGE M，PREUSS M，LOVESS C, et al. Texture development in Ti-6Al-4V linear friction welds[J].Materials Science and Engineering: A，2007，459:182-191.

[5] OLA O T，OJO O A，WANJARA P，et al. Enhanced resistance to weld cracking by strain-induced rapid solidification during linear friction welding [J]. Philosophical Magazine Letters，2011，91(2)：140-149.

[6] SORINA-MIILLER J，RETTENMAYR M，SCHNEEFELD D，et al. FEM simulation of the linear friction welding of titanium alloys[J].Computer Materials Science，2010，48:749-758.

[7] LI W Y，MA T J，LI J L. Numerical simulation of linear friction welding of titanium alloy: effects of processing parameters[J].Materials and Design，2010，31:1497-1597.

[8] ROTUNDO F，CESCHINI L，MORRI A ,et al．Mechanical and microstructural characterization of 2124Al/25vol%SiCp joints obtained by linear friction welding(LFW)[J].Composites:Part A，2010,41:1028-1037.

[9] 馬鐵軍,楊思乾,張勇,等.TC4線性摩擦焊接頭的力學性能及組織變化特點[J].焊接學報,2007,28(10):17-20.

MA Tie-jun,YANG Si-qian,ZHANG Yong,et al.Mechanical properties and microstructure features of linear friction welded TC4 titanium alloy joint[J]. Transactions of the China Welding Institution,2007,28(10)：17-20.

[10] 張傳臣,黃繼華,張田倉,等. 異質鈦合金線性摩擦焊接頭微觀組織與顯微硬度分析[J].焊接學報，2012，33(4):97-100.

ZHANG Chuan-chen,HUANG Ji-hua,ZHANG Tian-cang, et al. Investigation on microstructure and microhardness of linear friction welded joints of dissimilar titanium alloys[J]. Transactions of the China Welding Institution，2012，33(4)：97-100.

[11] 張傳臣，黃繼華，張田倉，等.振幅對線性摩擦焊接頭組織及界面原子濃度分布的影響[J].材料工程，2011，(10): 38-41.

ZHANG Chuan-chen,HUANG Ji-hua,ZHANG Tian-cang, et al. Effects of amplitude on joint microstructure and the interfacial atomic concentration distribution of linear friction welding[J]. Journal of Materials Engineering，2011，(10): 38-41.

[12] 張傳臣，黃繼華，張田倉，等.異質鈦合金線性摩擦焊接頭界面行為研究[J]. 材料工程，2011，(11): 80-84.

ZHANG Chuan-chen,HUANG Ji-hua,ZHANG Tian-cang， et al. The analysis in linear friction welding joint interface behavior of dissimilar titanium alloy[J]. Journal of Materials Engineering，2011，(11): 80-84.

[13] ROMERO J， ATTALLAH M M，PREUSS M，et al. Effect of the forging pressure on the microstructure and residual stress development in Ti-6Al-4V linear friction welds[J]. Acta Materialia，2009，57 (7)：5582-5592.

[14] ATTALLAH M M， PREUSS M， WITHERS P J. Influence of linear friction welding parameters on the residual stress development in Ti-6246[C]//Trends in Welding Research，Proceedings of the 8th International Conference ，Manchester，United Kingdom，2009.751-757.

[15] PREUSS M，QUINTA D，FONSECA J，et al. Residual stresses in linear friction welded IMI550[J].Journal of Neutron Research，2004，12(1-3)：165-173.

Formation Process and Mechanism of Linear Friction Welding Joint

ZHANG Chuan-chen1，ZHANG Tian-cang1，JI Ya-juan1，HUANG Ji-hua2

(1 Aeronautical Key Laboratory for Welding and Joining Technologies, Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024，China；2 School of Materials Science and Engineering， University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

The microstructure of the joint interface in linear friction welding was analyzed. Combined with the flash pattern and characteristic，the formation mechanism of the joint was discussed. The results show that during linear friction welding, the friction interface temperature exceeds the β-transus temperature of the base metal, a small amount of viscoplastic metal with high temperature is retained at the interface, and the recrystallization occurs in it. After welding, the weld zone is complete recrystallized structure. The side weld zone of TC11 is mainly composed of acicular structure with random distribution and is single β for that of TC17. The formation mechanism of the welded joints shows that during linear friction welding, the friction interface always exists. During LFW, the viscoplastic metal with high temperature is not mixed and the weld joint is formed through the atoms interdiffusion. Under the combined effect of diffusion and recrystallization, the weld joint is formed.

linear friction welding;interface；formation mechanism；diffusion

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.007

TG453+.9

A

1001-4381(2015)11-0039-05

2013-04-23；

2015-03-02

張傳臣(1981-)，男，高級工程師,博士，主要從事摩擦焊接理論及工藝研究，聯系地址：北京市朝陽區朝陽路東軍莊1號北京航空制造工程研究所102室(100024)，E-mail:zhangchuanchen@sohu.com