一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法

摘要

本发明涉及一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：(1)Ti2AlNb基合金由O、B2和α2三相构成，搅拌摩擦焊接前进行热处理，使合金耐热性弱化，促使合金相变，获得细小、等轴组织，形成塑性高、硬度低的合金组织；(2)针对预先热处理的Ti2AlNb基合金进行搅拌摩擦焊接工艺的优化；(3)对搅拌摩擦焊接接头进行焊后热处理，提高合金焊后组织耐热性，促使合金B2相向α2相和O相转变，确保合金构成相粗化，使合金接头获得高水平的高温强度。与现有技术相比，本发明基于多相组织演化控制，促进焊前、焊后Ti2AlNb基合金组织转变，使合金接头获得高水平的高温强度，最终获得清洁完整、组织与性能不低于母材的优质Ti2AlNb基合金的焊缝。

权利要求

1.一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接前进行热处理，参照Ti-Al-Nb相图，选取包括温度、保温时间、冷却速度的热处理制度，使合金耐热性弱化，促使合金相变，获得细小、等轴组织，形成塑性高、硬度低的合金组织，改善合金焊接性能；

(2)采用搅拌摩擦焊接工艺对步骤(1)处理后的Ti2AlNb基合金进行焊接，根据焊后组织及性能优化焊接工艺参数；

(3)对搅拌摩擦焊接接头进行焊后热处理，提高焊后组织耐热性，促使合金的B2相向α2相和O相转变，使具有等轴或片层结构的构成相组织粗化，使接头获得高水平的高温力学性能；

(4)建立基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，为难焊接Ti2AlNb基金属间化合物合金实现优质连接奠定基础。

2.根据权利要求1所述的一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述的Ti2AlNb基金属间化合物合金是以O相为基的金属间化合物，成分在Ti-(18-30)Al-(12.5-30)Nb(at.％)范围，同时含有Mo、Cr、V、Si、Fe和Ta合金元素中的一种或几种元素。

3.根据权利要求1所述的一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，通过光学显微镜及图像分析软件、扫描电镜、透射电镜、X射线、定量确定Ti2AlNb基合金包括构成相、相分数、形态及尺寸在内的组织特征。

4.根据权利要求1所述的一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，搅拌摩擦焊接工艺包括旋转速度、焊接速度、搅拌头形状尺寸与材料、气体保护、轴肩压下量、搅拌头倾角、焊接板夹持方式、垫板和焊后冷却方式。

5.根据权利要求1所述的一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，基于合金多相组织演化控制，优化搅拌摩擦焊接工艺，建立焊接接头的微观组织与力学性能之间的关系，获得优质的Ti2AlNb基合金焊缝。

说明书

一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钛合金化合物的搅拌摩擦焊接方法，尤其是涉及一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

[0002] Ti2AlNb是以有序正交结构O相为基的金属间化合物合金(简称Ti2AlNb基合金)。由于长程有序超点阵结构减弱了位错运动和高温扩散，因而，该合金不仅具有较高的高温强度和抗蠕变性能，而且密度较低，是一种极具潜力的新型航空航天用轻质高温结构材料，作为高密度镍基高温合金的替代材料被寄予了极大期待。

[0003] Ti2AlNb基合金实用化进程中，必须面对宇航部件结构复杂、需要解决同种或异种材料之间连接的问题，因此，焊接技术已经成为此类材料推广应用的关键环节。但是，迄今为止，关于该合金焊接的研究还非常有限。即使扩大到整个钛合金领域，也主要是在电弧焊、固相扩散焊和电子束焊接等方面进行了若干研究。出现这种现象的主要原因在于：首先，Ti2AlNb基合金中含有非常活跃的Ti、Al等元素，在高于500℃时不仅要发生O、N和H等元素的吸收，而且还将与它们发生反应，以致生成脆性化合物。因此，焊接过程必须在保护性气氛或真空条件下才能进行。其次，Ti2AlNb基合金的室温和高温强度明显高于工业纯钛、Ti-6Al-4V等合金，而变形能力却远低于后者，因此，取得无缺陷焊接接头的难度明显增大；更重要的是Ti2AlNb基合金成分通常在Ti-(18-30)Al-(12.5-30)Nb(at.％)的范围，还含有一定量的Mo、V、Si、Fe和Ta等元素，构成相多，合金化程度较高，热导率低，热应力大，属于难焊接材料。因此，十分需要从多种方向探索Ti2AlNb基合金的焊接方法及相关问题。

[0004] 搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW)是1991年英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术，在高强铝合金等方面已经得到了有效应用。搅拌摩擦焊接已被视为焊接领域近年来最重大的技术突破，并被誉为“绿色焊接技术”。将搅拌摩 擦焊接技术应用于Ti2AlNb基合金，不仅可能为该合金的焊接开拓出一片新领域，而且还有望在组织与性能改进方面发挥重要作用，正因为如此，搅拌摩擦焊接的应用确实需要向高熔点、高硬度、难变形材料领域拓展。

[0005] 搅拌摩擦焊接的工作原理是利用一个由搅拌针和轴肩等组成的焊接工具，通过搅拌头高速旋转带动连接处两侧的材料产生剧烈的塑性变形和混合，同时轴肩对变形材料施加锻造作用，进而形成密实无缺陷的焊缝。由于搅拌摩擦焊接过程中，材料仍处于固相区，可以避免传统熔焊技术容易造成的脆性铸态结构、变形大和残余应力高等缺点。但是，截止到目前为止，有关搅拌摩擦焊接在钛基合金领域应用的研究还很少，相关报道主要涉及工业纯钛、近αTi-5111、Ti-6Al-4V等在室温应用的材料。

[0006] 关于Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接的研究则未见报道。产生这一现象并不奇怪，首先，从搅拌摩擦焊接工作原理可知，只有材料在搅拌摩擦焊接过程中具有足够的塑性变形能力时，才能实现焊接。而这正是Ti2AlNb基合金的弱项。因此，要进行Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接需基于多相组织演化控制，调节组织提高Ti2AlNb基金属间化合物焊接性能，获得高水平焊接接头。

发明内容

[0007] 本发明针对Ti2AlNb基合金焊接问题，提出一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法。鉴于由O、B2和2三相构成Ti2AlNb基合金力学性能对相构成和组织敏感。故焊前通过细化合金组织，促进相变，以减弱合金组织的耐热性、提高塑性、降低硬度、改善其焊接性能，通过调整搅拌针旋转速度、焊接速度，获得清洁、完整的接头。通过调整热处理制度促进焊后组织耐热性，促进B2相向2和O相转变，确保合金构成相粗化，使合金接头获得高水平的高温强度，最终获得清洁完整且性能不低于母材的优质Ti2AlNb基合金焊缝。

[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0009] 一种基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基金属间化合物合金搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

[0010] (1)Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接前进行热处理，使合金耐热性弱化，促使合金的相变，获得细小、等轴组织，增加合金塑性，提高其焊接性能，为搅拌摩擦焊接做准备；

[0011] (2)采用搅拌摩擦焊接工艺对步骤(1)处理后的Ti2AlNb基合金进行焊接，根据焊后组织及性能优化焊接工艺参数；

[0012] (3)对搅拌摩擦焊接接头进行焊后热处理，促进焊后组织耐热性，促使合金的B2相向α2相和O相转变，使具有等轴或片层结构的构成相组织粗化，使接头获得高水平的高温力学性能；

[0013] (4)建立基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接方法，为难焊接Ti2AlNb基金属间化合物合金实现优质连接奠定基础。

[0014] Ti2AlNb基合金是以O相为基的金属间化合物，成分在Ti-(18-30)Al-(12.5-30)Nb(at.％)范围，同时含有Mo、Cr、V、Si、Fe和Ta合金元素中的一种或几种元素。焊前或焊后进行热处理时，参照相关的Ti-Al-Nb相图及相变结果分析，通过调整热处理方案，确定温度、保温时间、冷却速度等热处理工艺条件。焊前，通过光学显微镜(OM)及图像分析软件、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线(XRD)、定量确定Ti2AlNb基金属间化合物合金包括构成相、相分数、形态及尺寸在内的组织特征。通过合金焊接接头的微观组织及力学性能，揭示不同焊前组织搅拌摩擦焊接过程中塑性流变、再结晶、相变、晶粒取向等，得出焊前组织对搅拌摩擦焊接质量的影响，优化搅拌摩擦焊接工艺条件，包括旋转速度、焊接速度、搅拌头形状尺寸与材料、气体保护、轴肩压下量、搅拌头倾角、焊接板夹持方式、垫板和焊后冷却方式。

[0015] 与现有技术相比，本发明针对Ti2AlNb基金属间化合物合金，焊前通过细化合金组织，促进相变以减弱合金组织的耐热性、增加其塑性改善其焊接性能，焊接过程，通过调整搅拌针旋转速度、焊接速度，获得清洁、完整的接头。通过调整热处理制度促进焊后组织耐热性，促进B2相向α2和O相转变，确保合金构成相粗化，使合金接头获得高水平的高温强度，最终获得清洁完整、组织与性能不低于母材的优质Ti2AlNb基合金的焊缝。

附图说明

[0016] 图1为技术路线图；

[0017] 图2为Ti-22Al-23(Nb,Mo,V,Si)(at.％)合金轧板不同热处理制度下硬度分布图；

[0018] 图3为Ti-22Al-23(Nb,Mo,V,Si)(at.％)合金轧板搅拌摩擦焊接宏观样品；

[0019] 图4为Ti-22Al-14(Nb,Mo,Fe,V,Si)(at.％)合金轧板搅拌摩擦焊接宏观样品；

[0020] 图5为Ti-22Al-14(Nb,Mo,Fe,V,Si)(at.％)合金轧板搅拌摩擦焊接接头横截面宏观形貌；

[0021] 图6为Ti-22Al-14(Nb,Mo,Fe,V,Si)(at.％)合金轧板搅拌摩擦焊接接头横截面SEM照片：(a)、(b)母材，(c)焊核区。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0023] 实施例1

[0024] 本实施例是基于多相组织演化控制的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接研究。根据相图选取典型的热处理制度调控“焊前Ti2AlNb基金属间化合物合金组织”，使合金耐热性能弱化，提高其塑性流变能力，获得清洁、完整的搅拌摩擦焊接接头。高温强度十分重要的Ti2AlNb基合金要求其接头的蠕变性能不低于母材。搅拌摩擦焊接过程中，焊核区不仅因强烈的塑性变形并发生动态再结晶，从而造成各种构成相的高度细化；还将发生各构成相因温度变化而带来的彼此消长和转变，这些都将给接头的蠕变抗力带来影响。焊后组织调控旨在强化接头的耐热性能，恢复接头高温蠕变抗力，最终实现合金板材的优质连接。根据以上研究内容，制定如下技术路线(图1)。

[0025] (1)Ti2AlNb基金属间化合物合金板材焊前微观组织控制：

[0026] 焊前组织耐热性弱化将有利于合金搅拌摩擦焊接的实施。参照相关的Ti-Al-Nb相图及相变结果分析，通过调整热处理制度(选取典型的热处理温度、保温时间和冷却速度等条件)，促进相变，定量预制具有细小、等轴构成相的若干种不同焊前组织的薄板样品，以弱化合金耐热性能，改善其焊接性能。

[0027] 采用光学显微镜(OM)及图像分析软件、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线(XRD)等技术，定量确定Ti2AlNb基合金板材的焊前组织特征，包括构成相、相分数、形态及尺寸等。

[0028] Ti2AlNb基合金板材的原始显微组织主要构成相包括O相、α2相及B2相(如图6)，通过不同温度下的热处理可以发现在850℃保温48小时水淬热处理制度下，合金的硬度达到最小值(图2)。经过850℃/48h/WQ处理后的合金，α2相发生球化现象，O相发生了粗化，同时最小硬度值与合金中不同的相组成及含量有关。选定850℃/48h/AC作为焊接前热处理理论上可以提高Ti2AlNb基合金的焊接性。

[0029] (2)适应Ti2AlNb基合金的搅拌摩擦焊接的探索：

[0030] 研究具有不同焊前组织的合金板材搅拌摩擦焊接的实施。搅拌头材料选用钨铼合金，轴肩为圆柱形平面结构，搅拌针采用圆锥结构，同时引入水冷和气体保护措施。通过调整焊接参数(旋转速度、焊接速度等)，探索适应Ti2AlNb基合金的搅拌摩擦焊接工艺参数。

[0031] 采用微观组织分析技术，包括OM、SEM、TEM、XRD等方法，从Ti2AlNb基合金中三种主要构成相O、B2和α2相的合金成分、晶体结构及层错能等角度研究组织转变，分析再结晶机制。

[0032] Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接接头力学性能表征：测定具有不同焊前组织搅拌摩擦焊接接头的硬度分布、拉伸性能、高温蠕变强度等，从而评价焊前组织对搅拌摩擦焊接焊接质量的影响规律。

[0033] 本发明进行了Ti2AlNb基合金的搅拌摩擦焊接，获得了良好的焊接接头(如图3、4)。通过对焊接参数的控制，获得了不同的组织的焊接接头，宏观形貌产生变化，说明焊接参数对焊接接头的微观组织有一定的影响。

[0034] (3)探索搅拌摩擦焊接接头焊后微观组织控制：

[0035] 参照相关的Ti-Al-Nb相图及相变结果分析，制定有利于焊后组织耐热性能强化的热处理制度，通过选取典型的热处理温度、保温时间和冷却速度等条件，促进B2→O、B2→α2相变，同时确保具有等轴或片层结构的构成相组织粗化。

[0036] 采用OM、SEM、TEM和XRD技术，定量确定Ti2AlNb基合金板材的焊后组织特征，包括构成相、相分数、形态及尺寸等。测试经过焊后热处理后的搅拌摩擦焊接接头力学性能，包括硬度、拉伸性能、高温蠕变性能等，建立焊后组织与抗蠕变等力学性能之间的关系，确定合理焊缝组织的焊后热处理制度，使接头获得高水平的高温性能。

[0037] 实施例2

[0038] 在实施案例1的基础上，改变焊接前Ti2AlNb基合金的合金元素组成及相形态，进行了进一步的搅拌摩擦焊接。选取添加了Fe元素的Ti2AlNb基合金，相形态发生了明显的变化，进行搅拌摩擦焊接，获得良好的焊接接头，体视镜照片可以看出焊接后不同微观组织形成的分区(图5、6)。基于不同的焊接前组织，通过调整焊接参数，可以获得不同的焊接接头组织，从而获得不同的焊接接头性能。

[0039] 两种不同材料的Ti2AlNb基合金焊接成功的示例表明，基于微观组织演化控制 的Ti2AlNb基合金搅拌摩擦焊接是可行，且具有创新性。

[0040] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。