[发明专利]一种实现钛合金焊接接头高超塑性性能的加工方法

说明书

本发明公开了一种实现钛合金焊接接头高超塑性性能的加工方法，属于钛合金焊接技术领域。该方法先将待焊钛合金板材在纯氢气氛中进行置氢处理；然后对置氢的钛合金板材进行搅拌摩擦焊接，使焊核具有细小的片层结构；再对搅拌摩擦焊接后的接头焊核、母材局部和整个焊接接头进行超塑性拉伸变形，从而实现钛合金工件的整体超塑性成型加工。本发明可明显提高钛合金焊接接头的超塑性，降低超塑性温度和流变应力，大大降低钛合金接头的超塑性成型难度和焊接成本，并提高超塑成型构件的力学性能，可实现整个接头的超塑性成型。尤其适用于钛合金的焊接接头的超塑性成型、高温成型，可应用于制备航天航空等领域的大型钛合金整体构件、局部成型构件等。

技术领域：

本发明涉及钛合金焊接技术领域，具体涉及一种实现钛合金焊接接头高超塑性性能的加工方法。

背景技术：

钛合金超塑性成型/扩散连接技术在航空航天领域的大型中空结构件上应用广泛，但随着结构件向整体化、大型化发展，扩散连接因生产效率低、生产成本高、焊合率判定困难等问题，越来越难以适应大型整体结构件生产的要求。目前，研究者正积极寻求超塑性成型与其它焊接技术的结合。而无论采用何种焊接技术，都面临如何实现焊接接头的整体均匀超塑性成型的核心目标，这要求接头各区域具有相近的超塑性变形能力(包括延伸率和流变应力)。

一般而言，细小、等轴的组织是获得良好超塑性的重要条件，商用两相钛合金板材通常因组织细小而具有良好的超塑性，然而钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊等熔焊所形成的粗大组织会严重降低超塑性，大大阻碍了接头的整体均匀超塑性成型。在整个接头中，焊核成为制约整个接头超塑性成型的关键区域。而搅拌摩擦焊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焊核区可以得到细小的再结晶组织。由此可见，搅拌摩擦焊可以保留钛合金的超塑性因而在整体均匀超塑性成型方面具有巨大的应用前景。

然而，要成功实现钛合金搅拌摩擦焊接头的超塑性成型是相当困难的，目前主要面临两方面的挑战。首先是钛合金搅拌摩擦焊接过程中焊接工具和工艺的挑战：要进行接头整体超塑性成型首先要得到无缺陷的高质量钛合金搅拌摩擦焊接头。然而由于钛合金的强度大、化学活性高、导热率低，因而在钛合金搅拌摩擦焊过程中极易发生焊接工具的磨损。这不仅仅大大增加焊接的成本，而且工具磨损颗粒进入焊接接头，将导致接头性能的恶化；此外，要得到无缺陷的钛合金搅拌摩擦焊接头焊接温度必须控制在850～1200℃之间，因为超过1200℃时，钛合金流变应力极小，材料失稳，焊核内部易因压力不足而产生孔洞；而低于850℃，钛合金的强度很高，流动性能较差，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很窄，转速为400-500转/分钟，焊速为50-100毫米/分钟(Zhang et al,Microstructural characteristics and mechanicalproperties of Ti–6Al–4V friction stir welds,Mater.Sci.Eng.A 485(2008)448-455)。另外，即使解决了以上两个问题，钛合金的在高温时的粘性使得其通常与垫板发生粘结，也将影响接头的质量。很多研究者采用静态轴肩、或者水冷垫板、辅助热源等手段，但是大大增加了焊接的难度。总之，要得到钛合金无缺陷的焊接头非常具有挑战性。

另一方面也是更重要的挑战来源于钛合金接头组织的调控问题：要实现钛合金搅拌摩擦焊接头整体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。由于两相钛合金搅拌摩擦焊过程中温度通常超过β相变温度，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。因而很多研究者致力于通过工具辅助水冷等措施控制热输入，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。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。而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。