CN112756769A - 一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头，制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理，对预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。本发明可以有效改善焊接接头两侧的微观组织，降低接头与母材显微硬度值波动，使整个接头具有均匀稳定的显微硬度值，提高接头整体力学性能。

Description

一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法
技术领域
本发明属于钛合金焊接件制造技术领域，涉及一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法。
背景技术
由于发动机运行过程中叶片与轮盘工况不同，因此，由Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si(TC11)和Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr(TC17)两种钛合金通过线性摩擦焊(linearfriction weld,LFW)方法制备的整体叶盘，其综合性能远高于由同种材料制备的整体叶盘。TC11与TC17钛合金化学成分及原始组织不同，使TC11/TC17 LFW接头两侧焊缝区微观组织差异明显，导致接头显微硬度等力学性能不均匀。为了优化TC11/TC17 LFW接头组织性能，对焊后接头进行形变热处理是非常有效的措施。本项专利提供了一种形变热处理方法，能够有效改善接头两侧微观组织差异，降低接头与母材显微硬度值波动，使整个接头具有均匀稳定的显微硬度值，提高接头整体力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，解决现有技术中存在的焊接接头两侧焊缝区组织差异明显及显微硬度值波动较大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合试验的圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合试验前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
本发明的特点还在于：
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、热处理炉升温，将热力耦合圆柱试样放入热处理炉保温，之后将热力耦合圆柱试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
步骤2.1制得的热力耦合圆柱试样规格Φ8mm×12mm。
步骤2.2中热处理炉升温速度为1～15℃/min，热处理炉升温至750～850℃。
步骤2.2中保温温度为750～850℃，保温时间为1～3h。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行打磨抛光，在所述热力耦合圆柱试样两端涂上石墨，将热力耦合圆柱试样固定于热模拟实验机中，并将热电偶焊接在热力耦合圆柱试样的圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对热力耦合圆柱试样进行加热升温后保温，再进行热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
步骤3.1的热模拟实验机型号为Gleeble-3500。
步骤3.2的热力耦合圆柱试样加热温度为750～850℃，保温时间为2～8min。
步骤3.2中热塑性变形的真应变为0.2～0.8。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，可以有效改善焊接接头两侧的微观组织，降低接头与母材显微硬度值波动，使整个接头具有均匀稳定的显微硬度值，提高接头整体力学性能。
附图说明
图1(a)～(c)是本发明一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法的焊后未热处理接头微观组织图；
图2(a)～(c)是本发明一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法的热力耦合后接头微观组织图；
图3是本发明一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法的焊后未热处理接头硬度变化云图；
图4是本发明一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法的热力耦合后接头硬度变化云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备Φ8mm×12mm的热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、从室温以1℃/min的速度将热处理炉升温到750℃，然后将圆柱试样放入热处理炉，当热处理炉温度再次升高到750℃时，保温1h，之后将试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的圆柱试样进行打磨抛光，在试样两端涂上石墨，将其固定于Gleeble-3500热模拟实验机中，并将热电偶焊接在圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对圆柱试样进行加热升温，将试样先加热到750℃，保温时间为2min，再进行真应变为0.2的热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
实施例2
一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备Φ8mm×12mm的热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、从室温以15℃/min的速度将热处理炉升温到850℃，然后将圆柱试样放入热处理炉，当热处理炉温度再次升高到850℃时，保温3h，之后将试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的圆柱试样进行打磨抛光，在试样两端涂上石墨，将其固定于Gleeble-3500热模拟实验机中，并将热电偶焊接在圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对圆柱试样进行加热升温，将试样加热到850℃，保温时间为8min，再进行真应变为0.8的热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
实施例3
一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备Φ8mm×12mm的热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、从室温以5℃/min的速度将热处理炉升温到780℃，然后将圆柱试样放入热处理炉，当热处理炉温度再次升高到780℃时，保温1.5h，之后将试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的圆柱试样表面进行打磨抛光，在试样两端涂上石墨，将其固定于Gleeble-3500热模拟实验机中，并将热电偶焊接在圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对圆柱试样进行加热升温，将试样先加热到780℃，保温时间为3min，再进行真应变为0.3的热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
实施例4
一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备Φ8mm×12mm的热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、从室温以10℃/min的速度将热处理炉升温到800℃，然后将圆柱试样放入热处理炉，当热处理炉温度再次升高到800℃时，保温2h，之后将试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的圆柱试样表面进行打磨抛光，在试样两端涂上石墨，将其固定于Gleeble-3500热模拟实验机中，并将热电偶焊接在圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对圆柱试样进行加热升温，将试样先加热到800℃，保温时间为5min，再进行真应变为0.5的热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
实施例5
一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备Φ8mm×12mm的热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、从室温以13℃/min的速度将热处理炉升温到830℃，然后将圆柱试样放入热处理炉，当热处理炉温度再次升高到830℃时，保温2.5h，之后将试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的圆柱试样表面进行打磨抛光，在试样两端涂上石墨，将其固定于Gleeble-3500热模拟实验机中，并将热电偶焊接在圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对圆柱试样进行加热升温，将试样先加热到830℃，保温时间为6min，再进行真应变为0.6的热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
图1是TC11与TC17焊后未热处理接头组织图，图1(a)为低倍下接头整体组织，图1(b)为TC17侧b区域放大后的微观组织，图1(c)为TC11侧c区域放大后的微观组织。图2为焊后接头经过形变热处理后的微观组织图，图2(a)为低倍下接头整体组织，图2(b)为TC17侧b区域放大后的微观组织，图2(c)为TC11侧c区域放大后的微观组织。对比热处理前后接头两侧焊缝区微观组织变化，发现TC11侧焊缝区晶粒从等轴状转变为椭球状，进而破碎形成亚晶粒并近似沿焊接界面分布；TC17侧大晶粒发生破碎，片层状马氏体αs相略有长大并近似沿焊接界面分布，接头两侧焊缝区微观组织接近；TC11与TC17侧热力影响区组织都近似沿焊接界面平行分布。
图3为焊后未热处理接头硬度云图，从图3中可以看出，焊接界面硬度值最高，约为450±5HV，TC11侧从焊缝到母材硬度值逐渐降低，而TC17侧接头硬度呈“W”形分布，最低硬度值约为330±5HV。
图4为经过形变热处理后的接头硬度云图，从图4中可以看出，接头整体硬度值大幅降低，焊接界面最高硬度值下降到约380±5HV，TC11侧硬度值逐渐下降到约350±5HV，TC17侧硬度值下降到约340±5HV，整个接头与两侧母材硬度值稳定。
已公开的专利“一种优化钛合金线性摩擦焊接头显微硬度的热处理方法，公开号：CN111979401A”，主要通过焊后“循环热处理+双重退火”方法，使TC11侧靠近母材接头显微硬度值稳定在360±5HV，TC17侧靠近母材接头显微硬度值稳定在420HV±5HV，接头显微硬度值从TC11侧逐渐上升到TC17侧，虽接头两侧硬度值稳定但依然存在约60HV的差异。本发明一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其优点在于，通过对焊后接头进行形变热处理，使接头两侧组织均发生破碎细化，更加接近，故接头两侧显微硬度值差异缩小到约10HV，进一步优化了整体接头的组织性能。

Claims (9)

1.一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
步骤2、制备热力耦合圆柱试样，对制得的热力耦合圆柱试样进行热力耦合前的预处理；
步骤3、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行形变热处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、对步骤1原始焊接接头去除飞边，然后在远离边缘的接头区域，沿圆柱轴心垂直于焊接界面的方向，以焊接界面为中心，TC11与TC17侧对称，制备热力耦合圆柱试样；
步骤2.2、热处理炉升温，将热力耦合圆柱试样放入热处理炉保温，之后将热力耦合圆柱试样快速放入室温水中进行淬火处理，完成热力耦合前的试样预处理程序。
3.根据权利要求2所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤2.1制得的热力耦合圆柱试样规格Φ8mm×12mm。
4.根据权利要求2所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤2.2中热处理炉升温速度为1～15℃/min，热处理炉升温至750～850℃。
5.根据权利要求2所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤2.2中保温温度为750～850℃，保温时间为1～3h。
6.根据权利要求5所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对步骤2预处理后的热力耦合圆柱试样进行打磨抛光，在所述热力耦合圆柱试样两端涂上石墨，将热力耦合圆柱试样固定于热模拟实验机中，并将热电偶焊接在热力耦合圆柱试样的圆柱外表面中间位置来控制温度，之后进行抽真空程序；
步骤3.2、当真空度达到10Torr时，开始对热力耦合圆柱试样进行加热升温后保温，再进行热塑性变形，之后取出试样，快速放入室温的水中进行淬火处理，保留热力耦合后的组织。
7.根据权利要求6所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤3.1的热模拟实验机型号为Gleeble-3500。
8.根据权利要求6所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤3.2的热力耦合圆柱试样加热温度为750～850℃，保温时间为2～8min。
9.根据权利要求6所述的一种基于热力耦合条件的钛合金摩擦焊接头优化方法，其特征在于，所述步骤3.2中热塑性变形的真应变为0.2～0.8。
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