鈦及鈦合金攪拌摩擦焊研究進展

周利，周煒璐，杜正勇，趙瑞峰，孟凡新，馮吉才

(1.哈爾濱工業大學(威海)山東省特種焊接重點實驗室，威海 264209;2.哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001;3.首都航天機械公司，北京 100076;4.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

鈦及鈦合金具有耐蝕性強、密度小、強度高等優點，因而在航空、航天、軍工、生物醫學等領域得到了廣泛應用，其連接技術也得到了廣泛關注。鈦及鈦合金采用常規熔化焊方法焊接時，易出現焊件變形大、組織發生粗化、產生氣孔等缺陷。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是一種新型固相連接技術，具有焊接質量高、成本低、可重復性強及節能環保等特點，自問世以來就受到了極大關注，并已成功應用于鋁、鎂等低熔點材料的焊接，取得了顯著的經濟效益和社會效益[1]。為進一步發揮攪拌摩擦焊的優點，擴大其應用范圍，近年來已開始探索鈦及鈦合金等高熔點材料的攪拌摩擦焊技術，并取得了一定的研究成果。文中從焊具設計、接頭顯微組織與力學性能和焊接過程仿真等幾個方面，系統地介紹鈦及鈦合金攪拌摩擦焊的研究現狀，為推動鈦及鈦合金攪拌摩擦焊技術的發展和應用提供參考。

1 焊具設計

焊具設計是攪拌摩擦焊技術的關鍵，它決定了焊接過程能否順利進行并直接影響接頭質量，一般來講，焊具材料應擁有比被焊材料更優越的室溫及高溫性能，同時焊具的結構設計也應滿足焊接過程的需要。鈦及鈦合金熔點高、強度大、硬度高，在高溫下仍能保持較高的力學性能，這對攪拌摩擦焊焊具材料提出了很高的要求;同時，鈦及鈦合金活性強，焊接溫度高，易于與空氣反應，這對焊具的結構設計提出了需要加強冷卻和保護的要求。因此，國內外針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊焊具的材料選擇、結構設計及輔助焊具系統進行了研究[2—4]。

基層農業技術推廣部門在農業的發展和農村的建設中起著重要的作用，其承擔著制定當地種植業發展的規劃，以及相關農業政策的開展與宣傳工作。此外，農業技術推廣部門還組織和開展進行農業技術的培訓，尤其是承擔對新技術和新品種的推廣工作，還有進行病蟲害的防治等。為推動農村的發展和鄉村的振興奠定基礎。經過多年的努力和發展，我國的基層農業技術推廣工作已經取得了一定的成績，尤其是新技術和新品種的推廣更是促進了農業的發展和農民收入的增加。但是在進行推廣的過程中也發現一些問題，為了適應時代的發展必須對這些問題進行解決，實現推廣工作的優化和創新。

針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊過程的特點，攪拌頭材料需要具有良好的高溫性能，目前的研究主要集中在鎢合金和多晶立方氮化硼(PCBN)兩種材料上。Gan 等人[5]開發了鎢合金攪拌頭。Seighalani等人[6]采用軸肩材料為純鎢(W)，攪拌針材料為硬質合金(WC)的攪拌頭對純鈦進行攪拌摩擦焊。Pilchak等人[7]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊過程中攪拌頭與工件的相互作用進行了研究，研究結果表明，鎢合金攪拌頭的磨損對接頭表面成形和攪拌區顯微組織有較大影響。

Nelson 等人[8—9]開發了分體式多晶立方氮化硼焊具，如圖1所示，攪拌頭材料為PCBN，與攪拌摩擦焊機匹配的刀柄材料為硬質合金(WC)，攪拌頭與刀柄采用高溫合金緊固以傳遞扭矩，成功實現了鈦合金的攪拌摩擦焊。Zhang[10]等人也采用PCBN焊具對工業純鈦進行了攪拌摩擦焊。

圖1 PCBN焊具示意圖[8]Fig.1 Schematic illustration of PCBN tool design[8]

太湖流域多年平均年水資源量為176億m3，但近些年流域用水總量在350億m3左右，其中本地水源供水約220億m3，還有一部分直接從長江取水，不足部分靠重復利用和從長江引水。然而，在現狀工況下，引江及水資源調控能力不足，干旱年季節性、工程性缺水嚴重，流域遇枯水年（P=90%）和特枯水年（P=95%），缺水量達30.6億m3和42.3億m3。另一方面，流域用水還存在資源浪費、管理粗放、用水效率低等問題，有較大的節水潛力和提升空間。

為了保證焊接過程順利完成，獲得優質的接頭，鈦及鈦合金攪拌摩擦焊接過程中，還需對焊接區域進行保護并采取冷卻措施，防止焊接過程的熱積累對焊接設備造成不利的影響，因此，常常附加循環液體冷卻和氣體保護裝置[12]，如圖2所示。其中，循環冷卻水主要用來降低攪拌頭及焊機傳動軸的溫度，以防旋轉過程中因熱積累過多導致軸承發生故障;保護氣體用來對焊縫正面及攪拌頭進行保護，防止焊接區及攪拌頭發生氧化和氮化。

圖2 軸肩固定的攪拌摩擦焊接系統[12]Fig.2 Friction stir welding system with fixed shoulder[12]

2 接頭顯微組織與力學性能

王快社等人[13]、Pilchak 等 人[14]和 Davies 等人[15]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接接頭顯微組織及其轉變特征進行了研究，結果表明，攪拌區在母材第二相和原始α相基礎上形成細小β相，進而形成α+β片層結構。熱機影響區在動態再結晶和相變共同作用下，主要形成α相等軸晶和α+β片層結構，其中β織構在高溫下主要是D2(112)[111]簡單剪切織構，α相顯微組織由β相剪切織構轉變而來，且發生了顯著的取向變化。

在鈦及鈦合金攪拌摩擦焊過程中，焊接工藝參數對金屬連續流動性能和顯微組織特性影響顯著，Song等人[44]用基于金屬塑性流動分析的晶胞動力學方法，分析了動態再結晶過程中的顯微組織演變，建立模型完成了宏觀塑性流動行為、微觀位錯移動、顯微組織晶粒長大動力學和接頭力學性能的多元模擬，如圖6所示。模擬所得屈服應力曲線和試驗測得的曲線一致，分析了應變速率和溫度對平均位錯密度(相當于屈服應力)和最終晶粒尺寸演變的影響，結果與經典動態再結晶理論相吻合。最終晶粒尺寸隨應變速率和溫度的增加而降低，并且應變速率變化率越大，對晶粒尺寸的影響越大。由模擬結果可知，存在一些焊接速度和旋轉速度的匹配關系，可以保持微觀結構細小。

高熔點材料攪拌摩擦焊過程中攪拌頭與被焊材料之間的熱機作用強烈，導致攪拌頭在焊接過程中易于發生磨損，即便采用鎢合金及多晶立方氮化硼作為攪拌頭材料也無法徹底避免[7，11]，因此鈦及鈦合金攪拌摩擦焊具也多采用分體式設計方案，當攪拌頭磨損較為嚴重時，會使焊接過程無法順利進行并影響接頭質量，因而攪拌頭磨損成為高熔點材料攪拌摩擦焊技術中令人關注的問題。

對于鈦及鈦合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織和力學性能的研究，主要集中在應用最為廣泛的Ti-6Al-4V合金，且對接頭組織結構演變機制的研究還有待深入。

在攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭與工件之間因發生相對轉動和移動而產生摩擦熱和塑性變形，從而在工件上形成焊接溫度場和材料塑性流動行為，進而決定接頭的組織和性能，因此，研究焊接溫度場和材料塑形流動行為對于揭示接頭的微觀組織轉變機制具有重要意義。目前，針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊焊接過程仿真的研究較少，王文英等人[43]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊過程中溫度場進行模擬，結果表明，焊縫中心的峰值溫度達1258℃，超過了Ti-6Al-4V合金的相變溫度區間，由焊縫中心向外，峰值溫度逐漸降低。

圖3 焊核區織構ODF分析Fig.3 ODF sections in the SZ

除Ti-6Al-4V 合金以外，Mironov等人[34]、Liu等人[35—36]和 Fujii[37]等人對純鈦，Knipling 等人[38]和Fonda[29]等人對近 α 鈦合金，Reynolds等人[40]對 β 鈦合金攪拌摩擦焊接頭中晶體取向的演化行為進行了研究，發現由于相變及再結晶過程使晶體取向發生顯著變化。Nimer等人[41]和 Knipling 等人[42]分別對 Ti-5111合金攪拌摩擦焊接頭橫截面定向測量和顯微組織演變進行了研究，結果表明，接頭攪拌區由細小的初生β等軸晶和α板條組成，強度和塑性有所提高。采用電子背散射衍射(EBSD)表征接頭后退側顯微組織演變過程，如圖5所示。

圖4 Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭焊核區組織[22，27]Fig.4 Stir zone microstructure in Ti-6Al-4V alloy friction stir welded joints[22，27]

Pilchak等人[22—23]對 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊接頭組織分析結果表明，焊核區溫度低于相變點，焊核區中有等軸初生α相存在，如圖4a所示。Zhou等人[24—25]和 Edwards 等人[26—28]研究了不同焊接工藝參數下的Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織和力學性能，結果表明，隨工藝條件不同，焊接過程中焊核區溫度可能處于相變點以上或以下，在熱輸入較高的焊接參數下焊核區溫度處于相變點以上，從而在焊核區形成了全層片組織，如圖4b所示。Wang等人[29]對不同攪拌針形狀和拉伸條件下Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭變形行為進行了研究。Steuwer等人[30]和 Liu 等人[31]分別研究了 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊接頭殘余應力、顯微組織和拉伸性能之間的關系。此外，Zhou[32—33]等人對氫化 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊過程中的顯微組織演變機制和焊后脫氫工藝進行了研究，結果表明，熱氫處理可以通過提高鈦合金熱塑性增加焊接工藝參數范圍，提高接頭表面成形和攪拌頭壽命，且可通過焊后真空熱處理去除接頭中的氫元素。

圖5 接頭后退側EBSD圖[42]Fig.5 EBSD map of the weld at the retreating side

3 焊接過程仿真

Sato等人[16—19]對 Ti-6Al-4V 合金攪拌摩擦焊接頭的組織性能進行了分析，并對焊核區晶粒結構的演化進行了研究。結果表明，焊接時焊核區溫度超過相變點從而獲得了全層片組織，焊接熱輸入增大會使組織粗大造成接頭性能降低。Wu等人[20]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭熱機影響區組織演變過程進行了研究，結果表明，在熱機影響區發生連續動態再結晶，顯微硬度值最低，易形成溝槽缺陷。Zhou等人[21]對Ti-6Al-4V合金攪拌摩擦焊接頭