本发明专利技术公开了一种实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺与超塑性成型工艺，属于金属材料的焊接与超塑性成型技术领域。本发明专利技术采用直径较小的工具轴肩，采用导热性较快的垫板，在较低热输入下对Ti‑6Al‑4V钛合金进行搅拌摩擦焊接，焊核得到由初始等轴α相+二次片层α相组成的混合组织。在一定的温度与拉伸应变速率下，焊核呈现良好的超塑性，且流变应力几乎与母材相同；整体接头具有超塑性，且整个接头中各个区域均匀变形，呈均匀减薄特征，成型后接头每个区域的组织变得均匀相似。本发明专利技术可显著提高钛合金整体焊接接头的超塑性性能，实现整体接头均匀超塑性成型，并提高超塑性成型构件的组织均匀性和力学性能均匀性。
【技术实现步骤摘要】
实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺与超塑性成型工艺
：本专利技术涉及金属材料的焊接与超塑性成型
，具体涉及一种实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺与超塑性成型工艺。
技术介绍
：航空航天用钛合金大型、复杂结构件如飞机壁板、航空发动机进气口唇口等通常采用超塑性成型/扩散连接技术制备。然而，随着结构件越来越大型化且对高性能需求越来越急切，扩散连接由于存在成型时间长、生产效率低、构件组织粗大、焊合率判定困难等问题，越来越难适应高性能大型结构件生产的要求。目前，超塑性成型与其它焊接技术的结合，即焊接后对整个接头进行整体超塑性成型制备大型构件正受到研发和生产人员的广泛关注。然而，无论是采用超塑性成型与扩散连接还是与其他焊接技术结合，要实现接头整体均匀超塑性成型并保持成型构件具有较好的性能，这都要求整个接头各个区域具有相似的超塑性变形能力(包括延伸率和流变应力)。尤其是各个区域的流变应力差异决定了整体接头超塑性成型时局部变形剧烈程度。在多种焊接技术中，搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding,FSW)是最具潜力实现钛合金接头整体超塑性成型的焊接技术，这是因为钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊等焊接方式均涉及到材料的熔化，最终焊核得到的均为粗大的片层组织。研究表明，材料发生超塑性变形时主要变形机制是晶界滑移，而细小、等轴的组织通常是获得良好超塑性的重要条件，显然这些熔焊焊核粗大组织几乎不存在超塑性或者超塑性极低，远低于具有良好的超塑性的商用两相钛合金母材。这就使得焊核成为制约整个接头超塑性成型的关键区域。而FSW是一种固相焊接工艺，焊接过程中材料发生剧烈的塑性变形同时发生再结晶，因而在优化的焊接工艺下，焊核区有可能得到细小的再结晶组织，这就为其具备同母材相当的超塑性提供了可能，因而在用整体均匀超塑性成型制备大型钛合金构件具有巨大的应用前景。然而，即使钛合金FSW有潜力实现接头的均匀成型，在实际工艺控制上仍然是相当困难的。这是因为要实现钛合金整体接头均匀成型需要解决两个非常有挑战性的技术难点。首先，要解决钛合金FSW本身的技术难点，得到无缺陷的高质量钛合金FSW接头。因为钛合金强度高，化学活性大，很容易造成焊接工具的磨损、断裂甚至发生工具和待焊件剧烈反应的情况。因而首先应该选择合适的工具。在此基础上，要实现钛合金无缺陷FSW，要使得这要求焊接温度必须控制在900～1200℃之间，因为超过1200℃时，钛合金流变失稳而产生孔洞；而低于900℃，钛合金的流动性差，易造成工具磨损且接头很难焊合。而钛合金的摩擦系数很大，焊接温度要控制在此温度范围内的焊接工艺窗口较窄：通常优化的工具转速为150-800转/分钟，焊速为50-200毫米/分钟(Zhangetal,MicrostructuralcharacteristicsandmechanicalpropertiesofTi–6Al–4Vfrictionstirwelds,Mater.Sci.Eng.A485(2008)448-455；Edwardsetal,EffectofprocessconditionsonsuperplasticformingbehaviourinTi–6Al–4Vfrictionstirwelds,Sci.Technol.Weld.Joi.14(2009)669-680；Pilchaketal,MicrostructureEvolutionduringFrictionStirWeldingofMill-AnnealedTi-6Al-4V,Metall.Mater.Trans.42A(2011)745-762)。另外，除解决钛合金FSW本身的技术难题，更重要的是要解决钛合金接头整体均匀成型难的问题。这是另一个相当有挑战的技术难题。要实现钛合金FSW接头整体均匀超塑性成型关键是要使得焊核区获得与母材相近的超塑性变形能力。如上所述，钛合金可以进行调控的工艺窗口很窄，而要在此基础上在进行组织控制更加困难。由于两相钛合金FSW过程中温度通常超过β相变温度(TC4钛合金的β相变温度约为1000℃)，冷却后的焊核主要为片层组织，这种组织在传统意义上被认为是没有超塑性的。因而很多研究者利用极窄的FSW工艺，通过超低热输入，可使FSW过程的温度低于β相变温度，从而使焊核形成细小等轴组织(Pilchaketal,MicrostructuralChangesDuetoFrictionStirProcessingofInvestment-CastTi-6Al-4V,Metall.Mater.Trans.38A(2007)401-408；Edwardsetal,EffectofprocessconditionsonsuperplasticformingbehaviourinTi–6Al–4Vfrictionstirwelds,Sci.Technol.Weld.Joi.14(2009)669-680)。然而，过细的等轴组织却导致焊核超塑性变形能力远高于母材，在整个接头超塑性成型时，变形仅发生在焊核，导致焊核过早开裂，因而焊核等轴组织过高的超塑性对整个接头整体超塑性成型反而不利。研究表明，降低片层组织的厚度和长径比有利于提高接头的超塑性，因而调节焊核片层组织的片层厚度和长径比是实现其良好超塑性的关键(Wuetal,Achievingsuperiorsuperplasticityfromlamellarmicrostructureofanuggetinafriction-stir-weldedTi–6Al–4Vjoint,ScriptaMater.98(2015)44-47；Wuetal,Achievingsuperiorlow-temperaturesuperplasticityforlamellarmicrostructureinnuggetofafrictionstirweldedTi-6Al-4VjointScriptaMater.122(2016)26-30)。通过合理控制焊接工艺能够得到细小的片层组织，促使片层组织在超塑性变形过程中发生球化，从而使得焊核在925℃下得到700％以上的超塑性(Wuetal,Achievingsuperiorsuperplasticityfromlamellarmicrostructureofanuggetinafriction-stir-weldedTi–6Al–4Vjoint,ScriptaMater.98(2015)44-47)。这是超出传统观点的结果。说明片层组织在接头整体超塑性成型上可能表现出更好的特性。但令人遗憾的是，这种片层组织的超塑性能力仍然低于母材，尤其是片层组织在变形过程中流变应力高于母材，高出的幅度约为10-30％(Wuetal,Achievingsuperiorlow-temperaturesuperplasticityforlamellarmicrostructureinnuggetofafrictionstirweldedTi-6Al-4Vjoint,ScriptaMater本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：该搅拌摩擦焊接工艺通过采用合适的垫板，并在较低热输入条件下对钛合金板进行搅拌摩擦焊接，在接头焊核区获得混合组织结构；所述混合组织结构由初始等轴α相和二次片层α相组织组成，其中等轴初始α相所占体积分数为20-50％。/n
【技术特征摘要】
1.一种实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：该搅拌摩擦焊接工艺通过采用合适的垫板，并在较低热输入条件下对钛合金板进行搅拌摩擦焊接，在接头焊核区获得混合组织结构；所述混合组织结构由初始等轴α相和二次片层α相组织组成，其中等轴初始α相所占体积分数为20-50％。
2.根据权利要求1所述的实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述钛合金板为Ti-6Al-4V两相钛合金或其它类钛合金。
3.根据权利要求1所述的实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接过程中，钛合金板厚度为0.5-3mm，所用焊接工具采用W-Re合金，Re的含量为5-30wt％，工具轴肩直径为10-12毫米，搅拌针采用截锥体形，截锥体面与体中心线的角度为15-30°，搅拌针根部直径为4-6mm；采用焊接工具旋转速度为250-500转/分钟，焊接速度为50-150毫米/分钟。
4.根据权利要求3所述的实现钛合金焊接接头整体均匀超塑性成型的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述垫板置于钛合金母材下方，垫板采用WC-Co硬质合金；或者垫板采用镍基高温合金材料同时用循环流...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴利辉，倪丁瑞，马宗义，薛鹏，肖伯律，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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