CN110125522A - 一种近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法，对于采用固态焊接方向完成焊接的试样，在形成焊缝后，保持焊接件的夹持状态；等待焊缝温度冷却到β相变点以下时，焊接两端再进行相对运行，对焊缝进行局部压缩变形；随后将完成压缩变形后的焊缝进行稳定化热处理，即完成焊缝的等轴化处理。采用这样的技术方案就可实现焊缝形成相对均匀的与基体一致的钛合金等轴组织，避免硬脆魏氏组织的形成导致与基体组织、性能的不均匀性。

Description

一种近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法

技术领域

本发明涉及一种高性能航空用发动机近α相钛合金环形件制造。

背景技术

钛合金的性能主要取决于显微组织形态，不同的组织对应于不同的力学性能。如图1所示，双相钛合金的不同组织状态在其强度、塑性、断裂韧性方面各有不同。而钛合金的显微组织主要取决于钛合金的化学成分、热处理状态、锻造工艺等，不同热处理制度和锻造工艺下主要可以通过控制钛合金中α相和β相的形态、比例、相界面等来控制其力学性能特征。

在相关文献描述中清晰的表述了片层状魏氏组织(图1中d部分)具有较高的强度，但相比其他组织类型塑性、韧性是最差的。

固态焊接是一种制造高质量、高可靠性飞机发动机用环形件的技术方案，固态焊接具有焊接接头不易氧化、接头组织清洁等优点，适合制造对性能有较高要求的焊接件，如闪光焊，摩擦焊，电阻等。近α相钛合金，如TA19由于其良好的热变形加工性能与焊接性能，其闪光焊接制造环件可用于飞机发动机短舱、机匣等封严环位置，替代原环轧件，降低制造成本，提高制造效率。但由于固态焊接是在较高温度下，顶端挤压过程中两端面上的晶粒通过动态再结晶完成，因此焊缝形成温度较高，焊缝处温度常常超过钛合金相变点，在随后的冷却过程中，β晶粒发生同素异构转变，得到片层状魏氏组织，同时，热影响区也因为焊接温度的原因，形成大量的变形的魏氏组织与残余α相，图2为近α钛合金TA19采用闪光焊接(固态焊)后的组织特征如所示。由于焊接区的对称性，图2表示了焊缝右侧的热影响区及基体组织。从左到右分别是焊缝、热影响区、顶端变形区和基体(基体组织为等轴组织)。其中在焊缝及焊缝热影响区可明显观察到片层魏氏组织，α相沿原β晶粒析出特征。

钛合金魏氏组织是一种具有较高硬度和强度，但塑韧性极差的组织如图3为焊缝到基体的冲击韧性与硬度，因此焊接构件上的魏氏组织与基体塑韧性较好的等轴组织之间存在较大的组织与性能差异，这往往会导致服役过程中的可靠性不高。特别是同一构件上存在性能差异较大的组织，会导致组织之间在服役应力作用下产生应力集中，导致早期的破坏。

为改善这种焊缝与热影响区组织特征，必须要发展先进的焊接加工技术，尽量实现焊缝到基体组织的一致性。

由于钛合金中的片层状魏氏组织是不能单纯通过热处理的方式进行调整而改变的，必须在一定温度范围内引入塑性变形，利用高温下的压缩变形促进片层状α相的再结晶，从而获得与基体一致的等轴组织。因此针对焊缝及热影响区组织的优化必须要引入塑性变形。TA19闪光焊接工艺中，闪光焊接焊缝的形成是在β相区通过顶锻变形完成，通过对设备控制模式的调整，可以保证在冷却过程中持续调整顶端应力，即在焊完后冷却时间段内，可持续增加两端顶端压力，在线进行顶端变形来实现对焊缝热压缩变形，在工程上是完全可以实现控制的。但如何变形呢？在什么温度下、以何种速率、变形程度多大等，一系列工艺参数并无直接的指导的参考，因为目前没有相关基础研究和技术开发是针对不均匀组织的，即针对焊缝到基体这类不均匀的构件，还没有相关通过热变形来实现组织均匀性的报道。如图4是TA19闪光焊接后形成的温度场，以及该金属在该温度条件下的流变抗力，可明显观察到远离焊缝区域流变抗力越来越大，因此针对焊缝及热影响区的变形并不均匀的，具有焊缝区温度高，在应力作用下变形程度大，而其余区域随远离焊缝，温度下降，变形抗力增加的特征。

发明内容

本发明的目的是利用闪光对焊的焊接机制，对TA19焊缝实现优化。焊接完成后，固定夹具不释放焊接件，随着焊缝在空气中冷却，冷到合适的温度区间内，再以合适的顶锻速率，持续施压一定的变形量，随后将试样进行整体热处理，以实现焊缝与基体都形成比较均匀的等轴组织为主。

本发明是形成一种近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理的焊接后加工技术。实现无明显焊缝或是焊缝与基体具有一致组织与性能的焊接环件的制造。

本发明是这样实现的：

对于采用固态焊接方向完成焊接的试样，在形成焊缝后，保持焊接件的夹持状态；等待焊缝温度冷却到β相变点以下时，焊接两端再进行相对运行，对焊缝进行局部压缩变形；随后将完成压缩变形后的焊缝进行稳定化热处理，即完成焊缝的等轴化处理。

具体的，首先完成特定型材的闪光焊接，但在参数设定中，明确焊接完成后，两端的液压夹头设定为手动释放。当TA19型材闪光焊接完成后，两端液压夹头继续保持夹持状态。这时焊接试样将在空气中冷却，当冷却到1000～930℃区间时(由于不同季节室温冷却速率不同，可通过试样上的热电偶，或是红外线测温仪测量温度)，控制顶端液压，以焊接两端0.5～5mm/min的速率再次进行压缩，保证此时在工件上焊缝区域的压缩量在40～60％左右，由于焊缝两侧包括热影响区的宽度在2～6mm，即只需对液压设备，采用距离距离控制，在10-120s时间内，两端相向运动，将焊接构件再压缩1.0～3.6mm。完成变形后让其持续冷却，释放两端的夹持力，取下工件。完成对焊缝变形后将整体工件放入930℃炉内加热保温2h，以进一步完成再结晶退火。随后再进入590℃炉内加热保温4h完成稳定化处理。

完成以上操作后，原有的焊缝及热影响区组织的变化趋势如图5，6所示。图5(a)为闪光焊接完成后焊缝的组织，其完全为片层状魏氏组织，二次α相沿等轴晶晶界析出。图5(b)为闪光焊接完成后热影响区的组织，部分片层状魏氏组织和未完全转变的，受顶锻作用变形的等轴α相组织。

图6(a)(b)分别为采用本发明进行焊接处理后的TA19焊缝及热影响区的金相组织。可明显观察到，焊缝、热影响区与基体组织都形成了一致的等轴α相+β转变组织的等轴组织。由于变形区域未实现完全再结晶，还具有一定的方向性。但通过本方向，基本实现了焊缝到基体高度的均匀化。

附图说明

图1展示了双相钛合金典型组织；图中，(a)等轴组织(b)网篮组织(c)双态组织(d)魏氏组织。

图2展示了焊缝及热影响区组织。

图3展示了TA19闪光焊接试样以焊缝为中心的焊缝及热影响区的力学性能。

图4展示了TA19不同温度下的变形抗力与焊接温度梯度与抗力。

图5展示了原有的焊缝及热影响区组织的变化趋势。

图6展示了采用本发明进行焊接处理后的TA19焊缝及热影响区的金相组织。

图7展示了本发明的一个实施例中TA19完成焊接后的焊缝组织；图中，(a)光学500X(b)SEM 1000X。

图8展示了本发明的一个实施例中TA19完成焊接后经本发明处理的焊缝组织；图中，(a)光学500X(b)SEM 1000X。

图9展示了本发明的一个实施例中经本发明的技术方案处理后的力学性能对比图。图中，(a)不同处理方式下拉伸试棒；1#本发明处理的焊缝(变形处理+再结晶退火(930℃1h+590℃4hAC))；2#原始焊缝试样；3#焊缝试样再结晶退火(930℃1h+590℃4hAC)；4#焊缝试样常规固溶时效(990℃2h+590℃8hWC)；(b)拉伸应力应变曲线。右图中四根向下弯折至竖直方向的线由右到左分别是2#、1#、4#、3#。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的实施例：针20mm×10mm的矩形截面TA19合金型材，利用预热闪光焊接，进行焊接，闪光时间40s，顶锻时间为1.1s，顶锻量为2.65mm。完成顶锻后形成焊缝，闪光焊接结束。但夹具不松弛，在室温20℃环境下，检测到冷却到990℃后，控制焊机液压缸，两端相对再送进1mm，即针对焊缝及热影响区，再进行一个压缩变形，随后在930℃退火1小时，在590℃完成均匀化处理，即可将原有焊缝处的片层状α相魏氏组织，处理获得α具有等轴形态的钛合金等轴组织，从而大幅度提高焊缝和基体组织的一致性，实现焊接构件的高综合性能。

图7为常规TA19焊缝，全是魏氏组织，且二次α相沿等轴β晶粒晶界析出，因此能观察到明显的β晶粒大小。图8为经过本发明处理后的焊缝组织，有明显的方向性，但魏氏组织进本消除，以等轴组织为主。

图9中1#试样是采用本发明所得到的拉伸样，2、3、4#分别是对比试样，其中中间有效拉伸段(平行段)的原始尺寸是一致的，右图为应力应变曲线，可观察到，通过本发明的技术方案的1#试样，其综合力学性能明显提高，强度高于焊完后未热处理的试样2#，而塑性高于常规再结晶退火3#以及常规固溶时效试样4#。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法，其特征在于：对于采用固态焊接方向完成焊接的试样，在形成焊缝后，保持焊接件的夹持状态；等待焊缝温度冷却到β相变点以下时，焊接两端再进行相对运行，对焊缝进行局部压缩变形；随后将完成压缩变形后的焊缝进行稳定化热处理，即完成焊缝的等轴化处理。

2.根据权利要求1所述的近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法，其特征在于：所述冷却到β相变点以下是指焊缝区域温度降低到930-1000℃钛合金的α+β双相区范围，冷却方式为自然冷却或风冷。

3.根据权利要求1所述的近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法，其特征在于：所述对焊缝进行局部压缩变形是指当焊缝冷却到上述温度时，对焊缝进行压缩变形，变形量为焊缝的40～60％，变形速率为0.1～5mm/min。

4.根据权利要求1所述的近α相钛合金固态焊接焊缝组织等轴化处理方法，其特征在于：所述稳定化热处理是通过将变形后的带焊缝试样进行930℃保温2h再结晶退火，以及590℃炉内加热保温4h实现的。