鈦合金線性摩擦焊接頭組織特征分析

1、鈦合金線性摩擦焊接頭組織特征分析畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目：鈦合金線性摩擦焊接頭組織特征分析專業(yè)名稱：焊接技術(shù)與工程班級學號：GGG學生姓名：LKC指導教師：KLM填表日期：20GG年GG月GG日一、選題依據(jù)及意義鈦及鈦合金是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。具有密度小、比強高、耐熱耐蝕 性好、可加工性好等特點，因此在航空航天、化工、造船、冶金、儀器儀 表等領(lǐng)域得到了廣泛的運用 1。隨著航空制造工業(yè)的不斷發(fā)展，鈦合金成為航空航天工業(yè)及航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中重要的結(jié)構(gòu)材料。鈦合金有著鋁鎂合金所不具有的諸多優(yōu)異性能， 且鈦在地殼中含量最豐富元 素中排第九位，隨著對鈦及其合金的深入研究，其運用范圍必將越來越廣。目前

2、可運用于鈦合金焊接的方法比較多如 TIG、MIG、電子束、激光焊、擴散焊、摩 擦焊等等。以上所能用于鈦合金的焊接方法各有其優(yōu)缺點和對設(shè)備的要求也不盡 相同。TIG、MIG焊接是傳統(tǒng)的熔焊方法，焊接設(shè)備簡單、成本低，但局限于焊接 鈦合金薄板（窄間隙TIG焊除外），只有在保護氣氛良好、設(shè)置好匹配的焊接參 數(shù)和控制好0、H來源的前提下才能獲得優(yōu)良的焊縫質(zhì)量，焊后一般需要配合適 當?shù)臒崽幚?。用熔焊方法焊接鈦合金時，焊縫熱影響區(qū)過大且變形相對較大， 一 旦發(fā)生變形就難以矯正。相比之下電子束、激光焊接具有高的能量密度和焊接速度、熱影響區(qū)窄、變 形小，能獲得很高的接頭質(zhì)量，能夠焊接鈦合金薄板和厚板。同時焊接

3、過程需要在保護氣氛良好或者真空下完成，因此焊接設(shè)備較昂貴。壓力焊方法也有運用在鈦合金上，如擴散焊、摩擦焊（攪拌摩擦焊、慣性摩 擦焊、線性摩擦焊）等。擴散連接焊具有工藝簡單、可操作性強、零件變形小、 可連接大斷面、接頭質(zhì)量好等優(yōu)點，但對連接件表面質(zhì)量和裝配要求高、設(shè)備一 次性投入大、生產(chǎn)效率低等缺點。鈦合金運用摩擦焊方法焊接時具有效率高、工 藝簡單、無需保護氣氛、成本低、接頭綜合性能好等優(yōu)點，但對焊接設(shè)備要求比 較高。但是在制造推重比航高空發(fā)動機整體葉盤和修復葉片時線性摩擦焊有著巨 大的優(yōu)勢。發(fā)動機是飛機的心臟，其推重比對飛機機動性能起決定性作用，而高推重比的 關(guān)鍵零件之一就是整體葉盤。整體葉盤

4、是把發(fā)動機轉(zhuǎn)子的葉片和輪盤加工或焊接 （葉片和輪盤材料不同）成一體，無需加工榫頭、榫槽，盤的輪緣徑向高度、厚度及 葉片原榫頭部位尺寸均可大大減少，減重效果明顯使發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的結(jié)構(gòu)大為 簡化消除了榫齒根部縫隙中氣體的逸流損失； 避免了葉片和輪盤裝配不當造成的 微動磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障。因此，整體葉盤的制造和維修都特別 困難，是國外嚴密封鎖的核心技術(shù)。整體葉盤從結(jié)構(gòu)設(shè)計上分為整體式和焊接式兩類。整體式是采用五坐標數(shù)控 銑或電解加工機床由實體毛坯加工出整體葉盤， 這種加工方法材料費用高，加工 量大，周期長。此外，整體式加工，無法加工出葉片與葉盤是不同材料或同種材 料不同密度的整體葉盤。

5、鈦合金整體葉盤采用線性摩擦焊要比從實體毛坯加工更 加經(jīng)濟，且制造周期短、工藝簡單、成本低、綜合性能高。線性摩擦焊接技術(shù)已 經(jīng)成為航空發(fā)動機制造業(yè)中一項關(guān)鍵的制造技術(shù)和修復技術(shù)，其應(yīng)用前景非常廣 闊（如圖1所示）線性摩擦焊焊接整體葉盤時，接頭強度和疲勞壽命達到甚至超過母材的強度 和壽命；重量比常規(guī)葉盤制造技術(shù)相比可減輕 60%以上；與整體鍛坯和機械加工 制造整體葉盤相比可節(jié)省貴金屬材料88%同時大大減少加工工時；可維修性好， 需要更換葉片時可沿焊縫將葉片切掉，重新焊上新的葉片；可實現(xiàn)異種材料的焊接，并根據(jù)葉片和葉盤的工作條件來選擇不同的材料，進一步改善整體葉盤的使用性能，同時進一步減輕了轉(zhuǎn)子的重

6、量。通過對鈦合生摩擦焊的研究，分析其接頭組織并掌握其焊接過程的接頭變形造提供理論參考，從而進制造技術(shù)的成熟起到一定的推國內(nèi)外研究概況自從18GG年美國批國先后展開了摩擦;的有及發(fā)展趨勢形隹了第冃關(guān)研究，而我國也早摩擦焊。由于摩擦:特色技術(shù)，在航空可以Aft；趣葩 規(guī)律,運動電機整體葉盤的制航空工業(yè)大推重比發(fā)動機的性律廉悍執(zhí)51聲議疊個摩擦焊的專利之后，前蘇聯(lián)、英國、德國等不遠技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)在摩擦航天、核能、海洋開油鉆探、汽車制造等產(chǎn)業(yè)部門都得的緊密結(jié)合，摩擦焊接工藝方19GG年成功實現(xiàn)了 Al-Cu的L醫(yī)越降擦器其優(yōu)質(zhì)、高效、精密、節(jié)能的 詛芒捉悍技術(shù)領(lǐng)域及電力、機械制造、石。通過與相關(guān)學科

7、及高新技術(shù)式發(fā)燧b熱*0多種（如圖2所非圓截面瘵戦性摩擦焊）和板材I一 Jg岸療理白勺金屬材料,姫拓寬到了粉末合金、 以及陶瓷、金屬等新型材料和異種材料連接領(lǐng)耿旱接以到廣泛應(yīng)用7-9W7由彳傳統(tǒng)示）。被焊零件的形狀已經(jīng)由典型的圓截面擴大到（攪拌摩擦焊12），而所焊材復合材料、功能材料、難熔材分僅局限于傳統(tǒng)IS域。圖2焊接工藝方法及分類摩擦焊接按照摩擦運動方式分為旋轉(zhuǎn)式和線性摩擦焊接兩種，旋轉(zhuǎn)式摩擦焊 受加工工件的外型尺寸局限，只限于把圓柱截面或管截面的工件焊到相同類型的 截面上，但對于非圓截面焊接則無能為力。 而線性摩擦焊接則很好的解決了這個 問題，它不僅能夠焊接圓形、正方形、長方形的金屬和塑

8、料元件，還能焊接那些傳統(tǒng)方法難以焊接的材料和異種金屬焊接方法運用到1985 年將理論技術(shù)轉(zhuǎn)化司提供技術(shù)合作用。世界上第一臺線性摩擦焊焊機的研制是在 GG、 cks設(shè)備公司樂機器制造英國焊接學會和GG公j :fas |L f r由英國貿(mào)易工業(yè)部提供基金并于倒90年研制成功圖3GG型線性摩擦焊機線性摩擦焊線性摩擦焊接的過程，摩擦副中的一側(cè)工件被一對往復機構(gòu)驅(qū)動 著相對幗側(cè)被夾緊的工件表面做相對運動（如瞬4所示），在軸向壓力般 下，隨著摩擦運動的進行，摩擦表面被清理并產(chǎn)生摩擦熱，摩擦表面的w 升溫存生變形。然后，停止往復運動并施加頂鍛力，完成圖5所示ion焊接過程的如圖4線性摩擦焊焊接示意圖（Pha

9、sel初始階段Phase U不定摩擦階段JMotion頂鍛階段）.-forgingase川穩(wěn)定摩擦階段Phase IV80年代后期，MT科5線性摩擦焊焊接過程示意圖 /R公司合作，開始把線性摩擦焊接用于航空發(fā)動機整體鈦合金葉盤的制造，【并已取得成功。采用線性摩擦焊接制造的整體葉盤比常規(guī)通過榫槽連接的盤和葉片組件減重 60 %。從20XX年開始，Rolls-Royce公司 和德國MTU公司運用線性摩擦焊加工EJ200的13級風扇盤（原風扇盤和壓氣機 l級的鈦合金整體葉盤采用電子束焊）19。美國普惠公司對F119的帶有空心葉片的l級風扇葉盤以及風扇2、3級、壓氣機1、2級的葉盤進行了線性摩擦焊接的

10、試驗研究20，這是用線性摩擦焊來加工最先進的發(fā)動機整體葉盤的一例。線性摩 擦焊還用于F120的1級風扇（SPF/DB定位葉片）葉盤、聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機JSF升力 風扇（SPF/DB定位葉片）葉盤和JSFII9的風扇葉盤的焊接。GE公司還將線性摩擦 焊用于航天材料的焊接，并在鈦合金和鎳基超合金的焊接和堆焊方面取得了很大 成功。并行技術(shù)公司（CTC）為美國海軍完成了一項線性摩擦焊接研究項目，對 7 種不同合金和兩組異種金屬進行了焊接試驗，以用于發(fā)動機維修。根據(jù)美國的IHPTET計劃，到20GG年，戰(zhàn)斗機的發(fā)動機渦輪部分也將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。為了提20世紀末，帶超級冷卻葉片的高壓渦輪整體葉盤已進行了核心

11、機試驗高發(fā)動機的性能，開發(fā)整體葉盤的制造技術(shù)已追在眉睫。I起了我國航空60線性摩擦焊線性摩擦焊作為航空發(fā)動機整體葉盤制造的核心技術(shù)，也已：領(lǐng)域的高度重視。目前，西北工業(yè)大學已在教育部“985 ”經(jīng)費的支持下，研制a成功了線性摩擦焊機，目前國內(nèi)已經(jīng)成功研制出型號為 GMH 1機（如圖6所示）。圖6GMH 160線性摩擦焊機國內(nèi)在線性摩擦焊研究方面開展工作的單位還較少， 主要有西北工業(yè)大學和 北京航空工程研究所等，例如電液伺服控制線性摩擦焊系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究、線性摩擦焊過程的數(shù)值模擬仿真、線性摩擦焊接過程有限元熱力耦合分析、45鋼線性摩擦焊接頭溫度場的數(shù)值模擬與實驗驗證等等。但是我國在整體葉盤制造

12、技 術(shù)方面基本上是空白，尤其是對于制造整體葉盤最具有前途的線性摩擦焊接技術(shù) 正有待于重點開開發(fā)。值得高興的是我國航空工業(yè)總公司已將整體葉盤結(jié)構(gòu)的線 性摩擦焊接技術(shù)列入了 “航空制造技術(shù)中長期發(fā)展規(guī)劃”與“航空新結(jié)構(gòu)制造技 術(shù)預研計劃”，這對于促進我國焊接制造技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。可以預測，線性摩擦焊技術(shù)在21世紀必將得到廣泛推廣和運用。三研究內(nèi)容及實驗方案3.1研究內(nèi)容本課題通過室溫拉伸、顯微硬度等各種試驗和金相組織觀察、斷口掃描等分析手段，對TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的組織和力學性能進行分析和研究，并 與TC4潛弧焊接頭的金相組織進行對比，以探討 TC4鈦合金線性摩擦焊過程中 金屬流動、

13、變形規(guī)律、組織性能和斷口微觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，為TC4鈦合金的進一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。本課題的主要研究內(nèi)容包括：(1) TC4鈦合金線性摩擦焊接頭變形規(guī)律研究以所得到的理想工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，通過設(shè)置其焊接時間分別焊接含標示材料 的鈦合金試樣，所焊得試樣可以認為是完整線性摩擦焊過程中某一時刻接頭狀 態(tài)。通過分析其各個狀態(tài)接頭金相組織和預先添加的標示元素的分布情況，探討線性摩擦焊過程中金屬流動情況和變形規(guī)律。(2) 分析對比TC4鈦合金線性摩擦焊接頭組織特征運用常規(guī)力學性能檢驗手段，包括顯微硬度分布、接頭的室溫拉伸性能、斷 口形貌觀察和微區(qū)分析等方面，將線性摩擦焊接頭與潛弧焊接頭金相組織進

14、行對 比，分析出線性摩擦焊接頭組織特征。3.2實驗方案3.2.1實驗設(shè)備及材料本實驗采用西北工業(yè)大學自制的 GMH 160型線性摩擦焊機，拉伸試驗用 設(shè)備為WDW50萬能試驗機，制備金相試樣時采用不同粗細度的砂紙和 PG-2C型拋光機，試驗材料腐蝕液配方為水：硝酸：氫氟酸 =97:2:1，金相 觀察采用GJP-2C型倒置金相顯微鏡，硬度測試使用 HVS-100硬度儀。實驗 材料為TC4雙相鈦合金，其化學成分如下表1所示，尺寸為45mm X18mm x 11mm，并使用0.5mm 鉬絲、鈦粉、0.5mm 純鐵絲做標示材料。表1TC4鈦合金化學成分(質(zhì)量分數(shù))牌號 COHNAIVFeSiTi-6A

15、l-4V0.100.150.0150.045.56.83.5 4.50.300.15322實驗方法1、在所得到的理想工藝參數(shù)基礎(chǔ)上（具體參數(shù)見表 2, t=8s ），通過設(shè)置其焊接時間t=2s、3s、4s、5s、6s、7s、8s并分別焊接含標示材料的鈦合金試樣（其試樣形貌見圖7），t?8s時不添加頂鍛力，所焊得試樣可以認為是對應(yīng)一 次完整線性摩擦焊過程中某一時刻接頭所處的狀態(tài)。制備其金相組織，分析其不 同時刻接頭金相組織，并通過預先添加的標示材料的分布情況，探討線性摩擦焊過程中金屬流動情況和變形規(guī)律。表4.2鈦合金線性摩擦焊參數(shù)頻率f/Hz振幅A/mm摩擦壓力P1/MPa摩擦時間t/s頂鍛壓力

16、P2/MPa153.81078221圖7試樣圖形2、運用表4.焊后運用常規(guī)力學性能檢驗鈦合金線性摩擦焊接頭和潛弧焊接頭的顯微硬度分布 I硬度試驗測P- f寸比研究。利用掃描電鏡 、 :下滾頭組織形$8）、接頭的室溫拉伸性能進行寸TC貌觀察和微區(qū)分析，探鈦合金線性摩擦焊在聯(lián)系及其規(guī)律、丿1-1圖8硬度試驗測莎位示意圖；4亍位示意見（SeM）對拉伸斷口進彳1如沖態(tài)一性能之間的內(nèi)-4（紅色虛線為焊縫中心，沿箭頭1、所示方向測量由焊縫1Ui熱影響區(qū)一母材MeiWei81- 優(yōu)質(zhì)實用版文檔】硬度值，箭頭 2 所示方向測量由焊縫邊緣焊縫中心焊縫邊緣硬度值，將得 出的硬度值比較分析，得出焊縫金屬塑性流動對接頭硬度的影響規(guī)律） 四、目標、主要特色及工作進度4.1 目標、主要特色通過控制線性摩擦焊的焊接時間， 并分析焊接接頭金相組織和標示材料的分 布進而分析線性摩擦焊過程中金屬流動的情況。 利用常規(guī)力學測試手段分析線性 摩擦焊接頭性能，并對拉伸斷口進行形貌觀察和微區(qū)分析。4.2 工作進