焊接壓力對TB2鈦合金線性摩擦焊焊接接頭組織性能的影響*

趙治鵬，馬鐵軍，李文亞，張 勇

（西北工業大學陜西省摩擦焊接工程技術重點實驗室，西安710072）

0 前 言

線性摩擦焊 （linear friction welding，LFW）是20 世紀80 年代末問世的一種新型固相連接方法，是集焊接、塑性加工、摩擦學、機械、電子等學科為一體的先進技術[1]。 線性摩擦焊焊接過程是通過一個組件相對于另一個組件在軸向力作用下運動摩擦產熱達到焊接固件的目的，這種焊接方式相比傳統的熔焊是一種完全不同的模式，即不需要形成熔池就可以提供高質量的焊接與優異的結構完整性 （強度和抗疲勞強度）[2]。 線性摩擦焊在航空航天領域有著極其重要的應用與發展前景，已成為新一代高推重比航空發動機制造與維修的關鍵技術之一[3-5]，并已在國外得到成功的工程應用。 例如，采用線性摩擦焊技術制造發動機 EJ200、JSF119 等風扇葉盤[6]，英國并行技術公司將其用于發動機的維修[7]。 鈦合金因具有高比強度、良好的斷裂韌性、優良的耐蝕性能和高溫性能等，是新興的結構和功能材料。 目前鈦合金主要用于航空航天和軍事工業中，以減輕結構質量、提高推重比，用量約占鈦合金總產量的70%。 近年來，鈦在一般工業 （航海、石油、化工等） 和民用領域 （汽車、建筑、醫學等） 的應用也得到了很大的發展，應用前景可期。 本研究采用具有良好工藝塑性、較高強度及斷裂韌性、深淬透性等優點并在航空、航天領域作為葉片、輪盤、緊固件等廣泛應用[8-9]的近β 鈦合金TB2為研究材料，開展線性摩擦焊工藝試驗研究，通過分析焊接接頭組織與力學性能的變化特征，為制定較優的TB2 線性摩擦焊工藝奠定基礎。

1 試驗材料與方法

本研究選取經過熔煉、鍛壓的TB2 鈦合金進行線性摩擦焊試驗，TB2 母材化學成分見表1，金相組織如圖1 所示。 由圖1 可見被拉長的β晶粒，形成了典型的纖維狀組織，同時β 晶粒的晶界周圍出現一些細小的黑色晶粒。 焊接試樣尺寸為12 mm×22 mm×68 mm，焊接試驗采用西北工業大學自制的 XMH-250 型線性摩擦焊機，焊接工藝參數見表2，在第1 組參數的基礎上，保持振幅、頻率和摩擦時間不變，通過改變摩擦壓力 （PN） 和頂鍛壓力 （Pf），確定了第 2 組、第3 組和第4 組試驗參數。 將焊后試件直接加工成標準拉伸試樣，在3382 萬能材料試驗機上進行拉伸試驗。

表1 試驗用TB2 鈦合金母材化學成分 %

圖1 TB2 母材金相照片

表2 摩擦焊焊接工藝參數

2 試驗結果與討論

2.1 焊接接頭宏觀組織特征

圖2 焊接接頭橫向剖面組織

焊接接頭的低倍橫向剖面組織如圖2 所示。從組織形態上看，焊接接頭大致可分為焊縫區、近縫區及變形區。 焊縫區位于摩擦界面上，呈現出一條明亮的帶狀形態。 緊靠焊縫的窄小區域為近縫區，它具有變形區的組織特征，同時也具有焊縫區的某些特征。 從近縫區到母材組織的區域稱為變形區，該區域最為明顯的組織特征是清晰的流線及帶狀組織。 流線的方向及帶狀組織的變形方向顯示出了在摩擦過程中熱塑金屬的流動和變形方向。 從圖2 可以看出，由于焊接過程中兩工件的往復振動，焊縫區和熱力影響區的金屬流線呈現對稱分布的特點。

接頭焊縫中部的低倍縱向剖面微組織如圖3所示。 圖3 中部組織致密的區域就是焊縫區，可以明顯觀察到近縫區組織與焊縫處組織在晶粒尺寸上存在明顯區別，焊縫區域晶粒尺寸顯著小于周圍近縫區的晶粒，焊縫處細小晶粒的形成是由線性摩擦焊形變過程的工藝特點所決定的。 線性摩擦焊實際上是一個熱加工過程，其不僅有加熱溫度高、加熱速度快、焊接時間短等特點，更重要的是，在運動端的高速線性運動和軸向壓力的共同作用下，摩擦界面及界面附近產生了高剪切變形速率、大剪切變形量以及一定的軸向縮短變形。 在摩擦加熱過程中，從近縫區進入焊縫的金屬具有大量的亞晶，這些亞晶就會成為再結晶的晶核，在焊縫區高溫作用下，再結晶速度加快，但是焊縫金屬是在快速變形過程中發生再結晶的，再結晶晶粒處于不斷滑移和變形過程中，新晶核大量形成又不斷被擠出，因而晶粒的長大受到較大的制約。 另外，摩擦焊過程加熱時間很短，冷卻速度很快，因此再結晶晶粒十分細小。 在摩擦焊接中，晶粒的大小實際上是動態再結晶的晶粒細化與晶粒的長大競爭的結果。

通過圖3 的4 組試樣對比可以看出，摩擦壓力越大，焊后焊縫區越窄。 這是由于壓力越大，摩擦界面獲得的焊接熱輸入量越大，粘塑性金屬的溫度越高，其流動性越好，在焊后頂鍛壓力的作用下被擠出的越充分，因此導致焊縫區越窄。圖3 （a） 焊縫左側邊緣有粗大的黑色帶狀組織，在中部和右側也發現有細長的黑色條帶，出現這些組織的原因可能有兩點，一是由于摩擦壓力不足而導致部分區域未焊合，二是因為焊接過程中界面金屬被氧化，生成的氧化物沒有被完全擠出，部分殘留在焊縫中。

圖3 焊接接頭縱向剖面組織

2.2 焊接接頭顯微組織特征

焊縫區微觀組織如圖4 所示，發現不同摩擦壓力和頂鍛壓力條件下，焊縫區均由細小的等軸晶組成，說明焊縫區發生了再結晶。 圖4 （a） 中晶粒直徑在 10～20 μm 之間，圖4 （b） 和圖4 （c）中晶粒直徑在 10 μm 左右，圖4 （d） 晶粒直徑為5～10 μm。 通過對比發現，摩擦壓力從 40 MPa增大到70 MPa 時，焊縫晶粒得到明顯細化，從70 MPa 增大到100 MPa 時，焊縫晶粒細化不明顯。 說明摩擦壓力在一定范圍內增大對線性摩擦焊TB2 鈦合金焊縫晶粒的細化具有重要作用。這是因為摩擦壓力越大，焊縫區金屬的變形速率越大，形成的動態再結晶晶粒越細小，而且焊后界面殘留的粘塑性高溫金屬越少，焊縫中的能量也越少，施加頂鍛力以后因界面降溫速度較快的特點，焊縫中的再結晶晶粒沒有足夠能量繼續長大，因此焊縫區晶粒越細小。 這與張傳臣等[10]關于 TC11/TC17 線性摩擦焊的研究結果相一致。與圖4 （b） 相比，圖4 （d） 中焊縫晶粒更加細小，說明頂鍛壓力的施加使焊縫晶粒進一步細化。 這是因為施加頂鍛壓力可以進一步擠出焊接界面殘留的高溫金屬，增大焊接界面的熱耗散，焊縫處再結晶晶粒長大的驅動力減小。 另外，頂鍛壓力使接頭塑性變形程度加劇，畸變能增大，有利于焊縫進行充分的再結晶行為，最終得到細化的再結晶晶粒。

圖4 焊接接頭焊縫區顯微組織

圖5 焊接接頭熱力影響區 （TMAZ） 顯微組織

焊縫與母材中間的組織變形區為熱力影響區（TMAZ），其微觀組織如圖5 所示。 從圖5 發現，不同摩擦壓力和頂鍛壓力條件下，熱力影響區均出現了不同數量和大小的等軸晶粒，說明熱力影響區也發生了部分再結晶。 圖5 （a） 中變形 β晶粒內部和晶界處均存在大量直徑為30～40 μm的等軸晶，越靠近焊縫區等軸晶粒越多且粗大；圖5 （b） 中變形β 晶粒內部存在少量的等軸晶，晶界處存在大量的直徑20 μm 左右的等軸晶；圖5 （c） 中只在變形的 β 晶粒晶界處發現少量的直徑10 μm 左右的等軸晶。 可以看出，隨著摩擦壓力的增大，熱力影響區晶粒變形程度增大，再結晶晶粒越細小，但由變形β 晶粒內部和晶界處均發生再結晶轉變為只在晶界上發生再結晶。這是因為摩擦壓力越大，焊接過程中因大應變速率和鈦合金低熱導率的特點使傳遞到熱力影響區的熱量越小。 熱力影響區相對焊縫區承受較小的焊接過程中的正壓力和快速的剪切力，使位錯增殖且在晶界附近塞積導致晶格扭曲變形并儲存了一定變形能，在受到來自焊縫區擴散熱量的作用下，在晶界處發生了部分再結晶。 圖5 （d） 中只在變形的β 晶粒晶界處發現大量的直徑15 μm左右的等軸晶。 說明摩擦壓力相同時，施加頂鍛壓力，可以阻止熱力影響區中再結晶晶粒進一步長大。 這是因為施加頂鍛壓力，有利于擠出焊接界面殘留的高溫金屬，使焊后界面處殘余熱量減小，結合線性摩擦焊快速冷卻和鈦合金熱導率較低的特點有效地阻止了熱力影響區再結晶晶粒長大和變形晶粒內部再結晶的發生。

2.3 焊接接頭拉伸力學性能

圖6 為焊接接頭拉伸曲線及拉伸后試樣形貌。 對焊接接頭進行拉伸試驗后，得到的拉伸曲線如圖6 （a） 所示，表 3 為拉伸性能試驗結果（平均值）。 圖6 （b） 為第 1 組的 3 個試樣拉伸后形貌，4 組試樣中僅第1 組的 2#、3#號試樣斷裂在焊縫處，其余拉伸試樣均斷裂在遠離焊縫的母材處，這表明焊縫的強度高于母材。 觀察4 組試樣的延伸率與斷面收縮率，發現第1 組試樣的數值明顯偏低，這是因為第1 組中的2 個拉伸樣在焊縫斷裂且塑性變形程度很小，取平均值后遠低于其他 3 組試樣。 造成第 1 組試樣的 2#、3#號拉伸試樣斷裂前塑性變形程度極低的原因是：在較低的摩擦壓力 （小于40 MPa） 下，接頭在焊接過程中產生的金屬氧化物未能得到有效的清理，焊后殘留在焊縫中，使焊接接頭在拉伸過程中發生了脆性斷裂。 根據組織特征與拉伸試驗結果可知，第4 組試樣的組織性能最佳。

圖6 焊接接頭拉伸曲線及拉伸后試樣形貌

表3 焊接接頭拉伸性能試驗結果

3 結 論

（1） 不同焊接壓力條件下，TB2 鈦合金線性摩擦焊焊縫界面兩側組織均發生了明顯的再結晶。 隨著摩擦壓力的增大，焊縫再結晶晶粒越細小。 焊縫區的寬度隨摩擦壓力的增大而減小。 熱力影響區中，越靠近焊縫，塑性變形程度越大。

（2） 隨著摩擦壓力的增大，熱力影響區晶粒變形程度增大，再結晶晶粒更加細小，但由變形β 晶粒內部和晶界處均發生再結晶演變為只在晶界上發生再結晶。 頂鍛壓力的施加使界面處晶粒尺寸減小，熱力影響區中再結晶產生的等軸晶粒相對更小且只出現在變形晶粒的晶界上。

（3） 摩擦壓力大于 70 MPa 時，線性摩擦焊接頭強度高于母材。 摩擦壓力不足 （小于40 MPa）時，焊接過程中金屬氧化物易在界面殘留，進而降低接頭延展性，使接頭容易發生脆性斷裂。