振幅对线性摩擦焊接头组织及界面原子浓度分布的影响

张传臣，黄继华，张田仓，季亚娟

（1北京科技大学 材料科学与工程学院，北京100083；2北京航空制造工程研究所，北京100024）

振幅对线性摩擦焊接头组织及界面原子浓度分布的影响

张传臣1，黄继华1，张田仓2，季亚娟2

（1北京科技大学 材料科学与工程学院，北京100083；2北京航空制造工程研究所，北京100024）

通过改变振幅对TC11／TC17异质钛合金进行了线性摩擦焊及测温实验。焊后利用光学显微镜、扫描电镜及电子探针分析仪等对飞边、焊接接头微观组织及焊缝界面近域原子浓度进行了分析。结果表明，振幅越大，界面获得的焊接热输入越大，形成的飞边越大。线性摩擦焊接过程中焊缝组织温度超过1100℃，超过β相变温度。飞边组织发生明显的再结晶，界面依然存在且没有发生明显的机械混合。焊缝组织为再结晶组织，再结晶晶粒尺寸随振幅的减小而减小，焊缝中心存在明显的界面，界面处存在扩散过渡区，扩散层厚度随振幅的减小而变窄。

线性摩擦焊；飞边；显微组织；再结晶；扩散层

线性摩擦焊（LFW）是使两焊件产生相对直线往复摩擦运动，在热－力耦合的作用下获得固相接头的一种焊接方法，能在无保护条件下获得钛合金等有色金属的高质量焊接接头［1－5］。国外已将线性摩擦焊技术成功运用于航空发动机整体叶盘制造与维修中［6］。TC11，TC17钛合金分别是制造航空发动机叶片和轮盘的重要材料，国内外已有一些关于TC4钛合金线性摩擦焊方面的研究报道，Wanjara等［7］，研究了 Ti－6Al－4V线性摩擦焊的工艺、显微组织和力学性能的相互关系，发现当摩擦频率为50Hz、振幅2mm、摩擦压力50MPa、变形量2mm时会产生一个无缺陷的完整焊缝，其焊缝强度超过母材。郎波［8］等研究了TC11钛合金线性摩擦焊过程中的组织变化，结果表明界面处温度超过β相变点温度，在线性摩擦焊过程中焊缝组织完全发生相变。马铁军［4］等研究了TC4线性摩擦焊接头的力学性能及组织变化特点，TC4线性摩擦焊接头的抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率及断面收缩率值均高于母材。

对于TC11和TC17异质钛合金线性摩擦焊的实验研究鲜见报道。本工作对异质材料TC11，TC17线性摩擦焊接头组织特点、焊后界面两侧典型原子的浓度分布及稳定摩擦阶段摩擦界面温度进行了测量和实验分析，这对研究异质材料TC11／TC17的受焊行为具有重要的理论指导意义。

1 实验材料及方法

本工作中TC11钛合金是一种性能良好的α－β型钛合金，名义成分为 Ti－6.5Al－3.5Mo－1.5Zr－0.3Si，在500℃以下有优异的热强性能，并具有较高室温强度，其母材组织为等轴的α和片层α＋β组成，如图1所示，这种组织是合金在（α＋β）区内，低于相变点30～50℃的温度进行变形时所获得的。TC17钛合金是一种富β相的 α－β型钛合金，名义成分为 Ti－4Mo－4Cr 5Al－2Sn－2Zr，其母材组织为双态组织，由等轴α＋网篮的（α＋β）组成，如图2所示。

TC11和TC17试件尺寸均为130mm×75mm×20mm，在LFW－20T型线性摩擦焊机进行实验，焊接工艺参数如表1所示，本工作主要研究振幅对界面近域组织结构的影响。

表1 线性摩擦焊接工艺参数Table 1 The welding parameters of LFW

图3为线性摩擦焊原理示意图，焊后施加顶锻力。实验所用测温仪为YOKOGAWA－DX2000新型网络无纸记录仪，测量周期为125ms，热电偶丝材料为NiAl和NiCr。

图3 线性摩擦焊原理示意图Fig.3 Schematic diagram of LFW

2 实验结果及分析

2.1 线性摩擦焊接头温度实验分析

在前期实验基础上确定缩短量，使热电偶丝测温点位置在缩短量范围之内，确保测到焊缝界面近域的温度，因摩擦时两试件紧密接触，焊缝界面两侧温度值相差不大，所以选在振动侧TC11测温，测温结果如图4所示。经焊后打磨观察发现正好位于焊缝处。从测温结果可以看出，摩擦界面最高温度超过1100℃，超过两基体材料的相变温度（TC11相变温度1000℃，TC17相变温度890℃），因此可以断定在摩擦焊接过程中，焊缝界面附近组织发生了相变再结晶。

图4 测温结果Fig.4 The result of thermometric

2.2 接头宏观形貌与飞边组织分析

焊后试样宏观形貌如图5所示，从图5可以发现，从1＃试样到3＃试样，振幅从4.2mm降低到2.5mm，焊后形成的飞边也逐渐减小。振幅为2.5mm的3＃试样飞边量很小，在TC17侧几乎没有形成明显的飞边，仅在TC11侧产生少量的飞边。这是因为线性摩擦焊界面热输入量（PI）与振幅a、频率f、摩擦压力P及横截面积A有如下函数关系［2］：

由式（1）可见，振幅与界面热输入量成正比例关系，振幅越大，界面获得的热输入量越多，界面产生个高温黏塑性金属越多，在摩擦压力作用下被挤出界面形成的飞边也越大，导致试件的缩短量也越大，试件焊后缩短量与振幅的关系如图6所示，从图6可以看出，在本实验参数范围内，缩短量的变化与振幅的增加近似呈线性关系。

飞边典型组织照片如图7所示。从图7中可以看出，焊后飞边依然存在明显的界面，说明飞边在形成的过程中没有发生大的机械混合，且飞边组织在焊接过程中发生了明显的再结晶现象，形成等轴晶粒，且界面处晶粒有穿过界面长大的现象。飞边TC11侧晶粒内部形成针状组织，TC17侧组织更细小，近似为毛刺状组织，这是由于焊后飞边在空气中快速冷却，组织来不及长大，这时的组织基本都处于亚稳态。

图7 飞边组织Fig.7 Microstructure of the flash

2.3 焊接接头界面组织分析

图8～10分别是振幅为4.2，3.3，2.5mm 下焊接接头界面近域的微观组织。从图可以看出，焊缝中心均发生了明显的动态再结晶现象，而且随着振幅的减小，再结晶晶粒尺寸减小，通过截线法测得振幅4.2，3.3，2.5mm焊缝的平均晶粒尺寸为24.4，22.8，18.3μm。工艺参数与再结晶晶粒尺寸有如下函数关系［7］：

式中Z＝ε·exp（Q／RT），c为常数0.17，而

图8 振幅4.2mm接头组织Fig.8 Microstructure of welded joint at 4.2mm oscillating amplitude

从式（2）可以看出，随着振幅的增加，应变速率ε·增加，导致Z增加，动态再结晶晶粒反而减小，但是根据式（1），振幅增加，界面获得的热输入量增加，界面温度升高，再结晶晶粒尺寸增大。因此可以看出，应变速率和界面温度是相互制约的过程，如果界面温度影响占主导地位，那么随着振幅的增大，再结晶晶粒尺寸增大，如果应变速率的影响占主导地位，那么随着振幅的增加再结晶晶粒尺寸将减少。通过实验推测，当振幅小于某一值时界面温度影响占主导，当大于这一值后应变速率占主导地位，再增大振幅，界面温度将不再升高，反而会降低，再结晶晶粒尺寸将会减小。

与母材组织相比，焊缝组织发生了明显的变化，TC11侧由原始的等轴组织变成典型的魏氏组织，TC17侧转变为更为细小的毛刺状的亚稳态组织，这主要是由于线性摩擦焊接过程中界面温度超过两基体材料的相变温度（见图4），焊缝组织完全发生相变，转变为单一的β相。焊后界面温度快速下降，组织转变不充分，以亚稳态的形式保留到室温。

从图10振幅为2.5mm焊缝组织照片中可以看出，在焊缝界面处存在没有完全焊合的区域，这是由于在线性摩擦焊接过程中，界面获得的热量不足，两侧基体材料没有完全达到黏塑性状态，导致界面缺陷存在。

从图8～10可以看出，异质材料焊后界面依然存在，界面并不平整，仔细观察界面处可以发现存在明显的扩散过渡区，宽度在5～8μm之间，过渡区内的组织与界面近似垂直，组织细小，为焊后组织中典型原子扩散提供快速扩散通道，焊缝界面两侧典型原子浓度随振幅的变化电子探针检测结果如图11所示。对比图11（a）～（c）可以发现，不同振幅下同一原子的扩散距离不同（如：Al，Cr，Mo等），振幅4.2mm 焊缝界面处典型原子扩散距离最大，振幅2.5mm焊缝界面处原子扩散距离最小。原因是振幅越大（本次实验范围内），界面温度越高，扩散系数D与温度T的关系服从阿累尼乌斯定律：

图11 不同振幅焊缝界面典型原子浓度变化电子探针检测结果 （a）4.2mm ；（b）3.3mm；（c）2.5mmFig.11 Electron probe microanalysis line scans across interface near centre for typical atom concentration at different oscillating amplitude （a）4.2mm；（b）3.3mm ；（c）2.5mm

温度越高，原子的运动能量越高，扩散系数越大。线性摩擦焊过程中界面原子被充分激活，随着变形量的增加，热变形的金属内位错密度快速上升［9］，组织被明显细化，变形金属内的点、线、面缺陷急剧上升，为界面近域的典型原子的快速扩散提高便利通道。

3 结论

（1）线性摩擦焊焊缝温度超过1100℃，超过β的相变温度，焊缝组织在焊接过程中发生相变。

（2）与母材组织相比，焊缝组织在热力耦合作用下被明显细化，并发生了明显的再结晶现象，振幅越大，再结晶晶粒尺寸越大。

（3）焊后界面依然存在，界面处存在成分过渡区，并随振幅的增大，典型原子的扩散距离增大。

［1］ 马铁军，张学军，杨思乾，等.TC4钛合金线性摩擦焊接头的冲击韧性及断口特征［J］.航空材料学报，2007，27（6）：40－44.

［2］ VAIRIS A，FROST M.Modelling the linear friction welding of titanium blocks［J］.Materials Science and Engineering，2000，A292（1）：8－17.

［3］ VAIRIS A，FROST M.High frequency linear friction welding of a titanium alloy［J］.Wear，1998，217（1）：117－131.

［4］ 马铁军，杨思乾，张勇，等.TC4线性摩擦焊接头的力学性能及组织变化特点［J］.焊接学报，2007，28（10）：17－21.

［5］ 马铁军，杨思乾，张勇，等.LC9超硬铝线性摩擦焊研究［J］.热加工工艺，2007，36（11）：25－26.

［6］ 张田仓，韦依，周梦慰，等.线性摩擦焊接在整体叶盘制造中的应用［J］.航空制造技术，2004，（11）：56－57.

［7］ WANJARA P，JAHAZI M.Linear friction welding of Ti－6Al－4V：processing，microstructure，and mechanical－property interrelationships ［J］.Metallurgical and Materials Transactions，2005，36A（8）：2149－2163.

［8］ LANG B，ZANG T C，LI X H，et al.Microstructural evolution of a TC11titanium alloy during linear friction welding［J］.Journal of Materials Science，2010，45（10）：6218－6224.

［9］ 毛卫民，赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大［M］.北京：北京工业出版社，1996.

Effects of Amplitude on Joint Microstructure and the Interfacial Atomic Concentration Distribution of Linear Friction Welding

ZHANG Chuan－chen1，HUANG Ji－hua1，ZHANG Tian－cang2，JI Ya－juan2
（1School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

With changing amplitude，the dissimilar titanium alloys of TC11and TC17were welded by linear friction welding and the welded joint temperature was measured.The microstructure of the joints and flash were examined using an optical microscope（OPM）and a scanning electron microscope（SEM）.Electron probe microanalysis（EPMA）was also carried out to determine the elemental diffusion in and around the interface region.The results showed that with increasing amplitude，the weld heat input increased and the flash length increased.During the linear friction welding，the temperature around the interface exceeded 1100℃，aboveβtransition temperature.Dynamic recrystallization is operative on weld center and the flash during linear friction welding.There still exists an evident interface after welding and no mechanical mixture was found at the interface.Compared to the parent material，the microstructure in the weld and flash center was refined.The size of the recrystal grain on both sides of the welded joints decreased with increasing amplitude.Elemental diffusion layers exist on the interface and with the amplitude increased the thickness of the diffusion layer become wider.

linear friction welding；flash；microstructure；recrystallization；diffusion layer

TG453＋.9

A

1001－4381（2011）10－0038－04

2011－03－09；

2011－07－07

张传臣（1981－），男，博士研究生，主要从事摩擦焊接理论研究工作，联系地址：北京市海淀区学院路30号北京科技大学材料学院主楼416黄继华（100083），E－mail：zhangchuanchen＠sohu.com