TiAl渦輪與42CrMo的三體摩擦焊接

李娜

（平涼職業技術學院 平涼 744000）

0 引言

TiAl合金具有低密度、高比剛度和比強度、優異的抗氧化性、良好的高溫力學性能等優點，使其成為具有廣泛應用前景的新型輕質高溫結構材料。用它代替鑄造鎳基高溫合金制作增壓渦輪，可使渦輪轉子減重50%以上，從而提高發動機的瞬態響應性，減小發動機的功率損失。通常渦輪增壓器轉軸大多采用42CrMo中碳調質鋼，于是TiAl渦輪與42CrMo轉軸的連接技術成為我們的研究重點。對TiAl與42CrMo結構鋼的摩擦焊接性分析如下：

（1）TiAl與42CrMo的高溫機械性能和物理性能相差較大，導致焊接性差。

（2）TiAl中的Ti、Al元素與42CrMo中的Fe、C元素，容易生成TiFe、Fe3Al、TiC等脆性相，不利于形成高強度接頭。

（3）鑄態TiAl合金硬度大，摩擦系數低，與42CrMo摩擦焊接時不容易生熱。

綜上可知，TiAl與42CrMo的摩擦焊接性較差，多項試驗研究也證明了這一點，這就需要引入中間第三體，以改善TiAl與42CrMo的摩擦焊接性。經過前期的多項試驗，選定GH3039作為中間第三體，以改善二者的焊接性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次焊接試驗采用的TiAl渦輪的鑄造毛坯及其剖面宏觀形貌如圖1所示，其化學成分見表1。

圖1 鑄造TiAl渦輪毛坯及其剖面形貌

表1 TiAl化學成分（at%）

試驗所用GH3039為單相奧氏體固溶強化合金，其化學成分見表2。

表2 GH3039化學成分（at%）

試驗所用結構鋼42CrMo屬于超高強度鋼，具有高的強度和韌性，淬透性也較好，其熱處理制度是調質，其化學成分見表3。

表3 42CrMo化學成分（wt%）

本次焊接將所用TiAl渦輪軸車削至Φ25mm，GH3039高溫合金、42CrMo試樣均為圓棒，焊前將試樣端面車削平整，并用丙酮清洗端面。

1.2 試驗設備

本研究所用的摩擦焊機為西北工業大學研制的C500型連續驅動摩擦焊機，該焊機還配備有工業控制計算機閉環控制，能實現焊接過程參數（如焊接壓力、轉速、扭矩與軸向縮短量）的實時檢測、顯示和控制。

焊后采用DDL300電子萬能試驗機對焊接接頭的抗拉強度進行測試；采用Quanta FEG400場發射掃描電子顯微鏡對焊接接頭界面組織結構進行觀測，確定反應界面構成和形態。

2 試驗結果及討論

2.1 42CrMo結構鋼與GH30.9 的摩擦焊接試驗

對42CrMo和GH3039進行了摩擦焊接試驗，焊接參數如表4所示：

表4 GH3039試棒與42CrMo試棒的焊接參數

42CrMo結構鋼和GH3039焊后接頭宏觀形貌如圖2所示，由圖2可以看出42CrMo結構鋼和GH3039摩擦焊接后，在接頭處均產生了飛邊，不同的是42CrMo一端在摩擦壓力作用下發生了極大的塑性變形，頂鍛之后產生了肥大的翻轉飛邊，從焊接界面開始延伸，后包絡于母材表面；而GH3039一側的飛邊相對較小，同時也發生了較小程度的翻轉。后續試驗中，對焊接件進行抗拉強度測試，結果均達到700MPa以上。

圖2 42CrMo結構鋼和GH3039焊后接頭

一般來說，焊接接頭橫截面上硬度的分布可以反映焊合區域不同位置之間的組織差異，對接頭橫截面心部的硬度分布進行了測量，結果如圖3所示。

圖3 熱處理后42CrMo/GH3039焊縫截面硬度分布（HV0.1/10）

由圖3可以看出，42CrMo母材的硬度基本達到440～450HV，而 GH3039 母材的硬度基本為 350～380HV，焊接界面處的硬度已達到540～560HV，焊接界面處的硬度顯著高于母材。42CrMo一側靠近焊接界面區域的硬度低于母材，有明顯的軟化區，寬度約為2mm。一般而言，在拉伸變形過程中，硬化區與軟化區的變形不均勻，容易在軟、硬交界處產生裂紋。

采用電子顯微鏡對42CrMo結構鋼與GH3039摩擦焊接頭橫截面靠近中心位置處的形貌進行觀察，對焊縫附近成分做了線掃描分析，結果如圖4所示。由圖4可以看出，摩擦焊接界面焊合良好，界面結合緊密，未觀測到裂紋、氣孔等焊接缺陷。同時，可以看出，焊接界面兩側異種金屬互相嵌入、滲合、交錯，有明顯的分層現象。究其原因，其本質是被焊的42CrMo與GH3039兩種材料化學成分、物理性能、力學性能等存在較大差異，在摩擦焊接過程中，焊接界面在摩擦壓力和摩擦扭矩的雙重作用下，產生了較大的塑形變形，并引起異種材料的機械混合。

圖4 42CrMo/GH3039摩擦焊接界面線掃描

2.2 TiAl渦輪與GH30.9 試棒的摩擦焊接試驗

通過單因素法試驗，擬定了TiAl渦輪與GH3039的摩擦焊接參數，渦輪焊后宏觀形貌如圖5所示，由圖5可以看出焊后接頭完整，對中性良好，僅在GH3039一側形成單側飛邊；TiAl一側靠近焊縫處有微小焊后裂紋，倒角過渡處有墩入痕跡，故在后續加工時應該采用圓角過渡，避免形狀突變；此外，焊后六方根部的圓臺產生了較多裂紋，綜合考慮認為是焊接過程中，頂鍛壓力過大引起的，故在后續試驗中，應該考慮在保證焊接性能的前提下降低頂鍛壓力。

圖5 TiAl渦輪和GH3039、42CoMo三體摩擦焊后宏觀形貌

3 結論

（1）42CrMo和GH3039的摩擦焊接性較好，抗拉強度達到700MPa以上；

（2）TiAl渦輪與高溫合金GH3039的摩擦焊接性較好，焊后測量其接頭抗拉強度可達到250MPa以上；

（3）TiAl渦輪、GH3039和42CrMo三體摩擦焊接具有可行性。