[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明涉及金属材料的焊接与超塑性成型技术领域，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。

背景技术：

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(Friction stir welding,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(Zhang et al,Microstructuralcharacteristics and mechanical properties of Ti–6Al–4V friction stir welds,Mater.Sci.Eng.A 485(2008)448-455；Edwards et al,Effect of process conditionson superplastic forming behaviour in Ti–6Al–4V friction stir welds,Sci.Technol.Weld.Joi.14(2009)669-680；Pilchak et al,Microstructure Evolutionduring Friction Stir Welding of Mill-Annealed Ti-6Al-4V,Metall.Mater.Trans.42A(2011)745-762)。