AlNb基合金攪拌摩擦焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金化合物的攪拌摩擦焊接方法，尤其是涉及一種基于多相組織演化控制的Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Ti2AlNb是以有序正交結(jié)構(gòu)O相為基的金屬間化合物合金(簡(jiǎn)稱Ti2AlNb基合金)。由于長(zhǎng)程有序超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)減弱了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和高溫?cái)U(kuò)散，因而，該合金不僅具有較高的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，而且密度較低，是一種極具潛力的新型航空航天用輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，作為高密度鎳基高溫合金的替代材料被寄予了極大期待。
[0003]Ti2AlNb基合金實(shí)用化進(jìn)程中，必須面對(duì)宇航部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要解決同種或異種材料之間連接的問題，因此，焊接技術(shù)已經(jīng)成為此類材料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，迄今為止，關(guān)于該合金焊接的研究還非常有限。即使擴(kuò)大到整個(gè)鈦合金領(lǐng)域，也主要是在電弧焊、固相擴(kuò)散焊和電子束焊接等方面進(jìn)行了若干研究。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于:首先，Ti2AlNb基合金中含有非?；钴S的T1、Al等元素，在高于500°C時(shí)不僅要發(fā)生0、N和H等元素的吸收，而且還將與它們發(fā)生反應(yīng)，以致生成脆性化合物。因此，焊接過程必須在保護(hù)性氣氛或真空條件下才能進(jìn)行。其次，Ti2AlNb基合金的室溫和高溫強(qiáng)度明顯高于工業(yè)純鈦、T1-6A1-4V等合金，而變形能力卻遠(yuǎn)低于后者，因此，取得無缺陷焊接接頭的難度明顯增大；更重要的是Ti2AlNb基合金成分通常在T1-(18-30) Al-(12.5-30) Nb (at.%)的范圍，還含有一定量的Mo、V、S1、Fe和Ta等元素，構(gòu)成相多，合金化程度較高，熱導(dǎo)率低，熱應(yīng)力大，屬于難焊接材料。因此，十分需要從多種方向探索Ti2AlNb基合金的焊接方法及相關(guān)問題。
[0004]攪拌摩擦焊接(Frict1n stir welding, FSW)是1991年英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，在高強(qiáng)鋁合金等方面已經(jīng)得到了有效應(yīng)用。攪拌摩擦焊接已被視為焊接領(lǐng)域近年來最重大的技術(shù)突破，并被譽(yù)為“綠色焊接技術(shù)”。將攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用于Ti2AlNb基合金，不僅可能為該合金的焊接開拓出一片新領(lǐng)域，而且還有望在組織與性能改進(jìn)方面發(fā)揮重要作用，正因?yàn)槿绱?，攪拌摩擦焊接的?yīng)用確實(shí)需要向高熔點(diǎn)、高硬度、難變形材料領(lǐng)域拓展。
[0005]攪拌摩擦焊接的工作原理是利用一個(gè)由攪拌針和軸肩等組成的焊接工具，通過攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連接處兩側(cè)的材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形和混合，同時(shí)軸肩對(duì)變形材料施加鍛造作用，進(jìn)而形成密實(shí)無缺陷的焊縫。由于攪拌摩擦焊接過程中，材料仍處于固相區(qū)，可以避免傳統(tǒng)熔焊技術(shù)容易造成的脆性鑄態(tài)結(jié)構(gòu)、變形大和殘余應(yīng)力高等缺點(diǎn)。但是，截止到目前為止，有關(guān)攪拌摩擦焊接在鈦基合金領(lǐng)域應(yīng)用的研究還很少，相關(guān)報(bào)道主要涉及工業(yè)純鈦、近a T1-5111、T1-6Al-4V等在室溫應(yīng)用的材料。
[0006]關(guān)于Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接的研究則未見報(bào)道。產(chǎn)生這一現(xiàn)象并不奇怪，首先，從攪拌摩擦焊接工作原理可知，只有材料在攪拌摩擦焊接過程中具有足夠的塑性變形能力時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)焊接。而這正是Ti2AlNb基合金的弱項(xiàng)。因此，要進(jìn)行Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接需基于多相組織演化控制，調(diào)節(jié)組織提高Ti2AlNb基金屬間化合物焊接性能，獲得高水平焊接接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)Ti2AlNb基合金焊接問題，提出一種基于多相組織演化控制的Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接方法。鑒于由0、B2和2三相構(gòu)成Ti2AlNb基合金力學(xué)性能對(duì)相構(gòu)成和組織敏感。故焊前通過細(xì)化合金組織，促進(jìn)相變，以減弱合金組織的耐熱性、提高塑性、降低硬度、改善其焊接性能，通過調(diào)整攪拌針旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度，獲得清潔、完整的接頭。通過調(diào)整熱處理制度促進(jìn)焊后組織耐熱性，促進(jìn)B2相向2和O相轉(zhuǎn)變，確保合金構(gòu)成相粗化，使合金接頭獲得高水平的高溫強(qiáng)度，最終獲得清潔完整且性能不低于母材的優(yōu)質(zhì)Ti2AlNb基合金焊縫。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0009]—種基于多相組織演化控制的Ti2AlNb基金屬間化合物合金攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟:
[0010](I)Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接前進(jìn)行熱處理，使合金耐熱性弱化，促使合金的相變，獲得細(xì)小、等軸組織，增加合金塑性，提高其焊接性能，為攪拌摩擦焊接做準(zhǔn)備；
[0011](2)采用攪拌摩擦焊接工藝對(duì)步驟(I)處理后的Ti2AlNb基合金進(jìn)行焊接，根據(jù)焊后組織及性能優(yōu)化焊接工藝參數(shù)；
[0012](3)對(duì)攪拌摩擦焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，促進(jìn)焊后組織耐熱性，促使合金的B2相向α 2相和O相轉(zhuǎn)變，使具有等軸或片層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成相組織粗化，使接頭獲得高水平的高溫力學(xué)性能；
[0013](4)建立基于多相組織演化控制的Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接方法，為難焊接Ti2AlNb基金屬間化合物合金實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接奠定基礎(chǔ)。
[0014]Ti2AlNb基合金是以O(shè)相為基的金屬間化合物，成分在T1-(18-30)A1-(12.5-30)Nb (at.% )范圍，同時(shí)含有Mo、Cr、V、S1、Fe和Ta合金元素中的一種或幾種元素。焊前或焊后進(jìn)行熱處理時(shí)，參照相關(guān)的T1-Al-Nb相圖及相變結(jié)果分析，通過調(diào)整熱處理方案，確定溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度等熱處理工藝條件。焊前，通過光學(xué)顯微鏡(OM)及圖像分析軟件、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線(XRD)、定量確定Ti2AlNb基金屬間化合物合金包括構(gòu)成相、相分?jǐn)?shù)、形態(tài)及尺寸在內(nèi)的組織特征。通過合金焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能，揭示不同焊前組織攪拌摩擦焊接過程中塑性流變、再結(jié)晶、相變、晶粒取向等，得出焊前組織對(duì)攪拌摩擦焊接質(zhì)量的影響，優(yōu)化攪拌摩擦焊接工藝條件，包括旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、攪拌頭形狀尺寸與材料、氣體保護(hù)、軸肩壓下量、攪拌頭傾角、焊接板夾持方式、墊板和焊后冷卻方式。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對(duì)Ti2AlNb基金屬間化合物合金，焊前通過細(xì)化合金組織，促進(jìn)相變以減弱合金組織的耐熱性、增加其塑性改善其焊接性能，焊接過程，通過調(diào)整攪拌針旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度，獲得清潔、完整的接頭。通過調(diào)整熱處理制度促進(jìn)焊后組織耐熱性，促進(jìn)B2相向α 2和O相轉(zhuǎn)變，確保合金構(gòu)成相粗化，使合金接頭獲得高水平的高溫強(qiáng)度，最終獲得清潔完整、組織與性能不低于母材的優(yōu)質(zhì)Ti2AlNb基合金的焊縫。
【附圖說明】
[0016]圖1為技術(shù)路線圖；
[0017]圖2為T1-22Al_23(Nb，Mo，V，Si) (at.% )合金乳板不同熱處理制度下硬度分布圖；
[0018]圖3為T1-22A1_23 (Nb, Mo, V, Si) (at.% )合金乳板攪拌摩擦焊接宏觀樣品；
[0019]圖4為T1-22Al_14(Nb，Mo, Fe, V, Si) (at.% )合金乳板攪拌摩擦焊接宏觀樣品；
[0020]圖5為T1-22A1_14 (Nb, Mo, Fe, V, Si) (at.% )合金乳板攪拌摩擦焊接接頭橫截面宏觀形貌；
[0021 ] 圖6為T1-22A1_14 (Nb, Mo, Fe, V, Si) (at.% )合金乳板攪拌摩擦焊接接頭橫截面SEM照片:(a)、(b)母材，(C)焊核區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023]實(shí)施例1
[0024]本實(shí)施例是基于多相組織演化控制的Ti2AlNb基合金攪拌摩擦焊接研究。根據(jù)相圖選取典型的熱處理制度調(diào)控“焊前Ti2AlNb基金屬間化合物合金組織”，使合金耐熱性能弱化，提高其塑性流變能力，獲得清潔、完整的攪拌摩擦焊接接頭。高溫強(qiáng)度十分重要的Ti2AlNb基合金要求其接頭的蠕變性能不低于母材。攪拌摩擦焊接過程中，焊核區(qū)不僅因強(qiáng)烈的塑性變形并發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，