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氢对TC4钛合金焊接接头组织与性能影响的研究

作　者: 刘鹏涛
导　师: 任瑞铭
学　校: 大连交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TC4钛合金置氢电子束焊接线性摩擦焊显微组织疲劳连接性能室温力学性能数值模拟
分类号: TG407
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

钛合金材料的焊接方法中,电子束焊接是一种先进的高能束流加工技术,具有其他传统焊接方法无法比拟的优点。由于钛合金电子束焊接构件在使用环境中存在氢和循环应力,焊接构件有发生氢致断裂的可能,因而研究氢对电子束焊接头疲劳性能的影响显得十分重要。作为一种新型的固相连接技术,线性摩擦焊接具有优质、高效、节材、无污染等一系列优点,但线性摩擦焊技术也存在焊机吨位大、设备制造复杂的问题,限制了它的应用范围。钛合金置氢加工工艺是把氢作为一种临时合金化元素,通过改变钛合金的相组成和微观结构,进而达到改善钛合金加工性能的目的。应用这一技术可以允分发挥钛合金材料的加工性能,降低合金对设备成型能力的要求。本文以TC4钛合金为研究对象,首先分析了置氢后TC4钛合金室温组织及亚结构的演变规律,然后研究了氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳性能的影响规律,最后研究了置氢TC4钛合金的线性摩擦焊连接性能,并对置氢钛合金线性摩擦焊过程进行了数值模拟。钛合金的室温组织是影响其焊接性能以及接头力学性能的主要因索。本文采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪及透射电子显微镜分析了置氢对TC4钛合金室温组织及亚结构的影响规律,并揭示了置氢TC4钛合金中氢化物的析出机制。研究结果表明,随着氢含量的增加,TC4钛合金组织中初生α相的含量逐渐减少,p相的含量逐渐增多,孪晶数量明显增多。当氢含量达到0.25wt%后,在TC4钛合金中观察到了面心立方结构的6氢化物。采用置氢C(T)试样对TC4钛合金电子束焊接头的室温疲劳裂纹扩展速率进行J’测定。研究结果得出,置氢母材试样在低速扩展区和失稳快速扩展区的da/dN相对于未氢试样有明显的提高,但不同氢含量之间差别不大。在稳态扩展区(Paris区),氧对试样da/dN的影响很小。对于焊缝试样,置氢试样的da/dN在裂纹扩展的全过程均明显于未置氢试样,并且随着氢含量的增加,裂纹扩展速率提高,只是在氢含量0.054wt%增加到0.101wt%时,提高幅度变小。氢对TC4钛合金母材和焊缝试样断口形貌的影响规律基本相同,在预裂区,随着氢含量的增加,二次裂纹的数量增多。在稳态扩展区,随着氢含量的增加,疲劳条带宽度增大,二次裂纹的数量增多、尺寸增大,农明材料脆性增大。在失稳快速扩展区,不同氢含量的试样都为典型韧性断裂,置氢试样的韧窝较浅、较小。采用统计分析的方法研究了氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳寿命的影响。结果表明,氢显著降低了TC4钛合金电子束焊接头试样的疲劳寿命,氢含量0.028wt%钛合金试样的疲劳寿命仅为未置氢试样的1/2,当氢含量增大到0.120wt%时,疲劳寿命降到了未充氢的1/5。疲劳试样多数断于接头的热影响区,造成这一结果的主要原因是热影响区的组织不均匀性和氢含量相对较高。断口的形貌特征表明,氢促进了疲劳裂纹的萌生和增加了裂纹扩展的速度,导致钛合金电子束焊接头的疲劳寿命显著降低。本文系统研究了未置氢TC4钛合金的线性摩擦焊连接性能,总结得出,未置氢TC4合金获得成功焊接头并具有优良力学性能的临界工艺参数条件为：f=30Hz,a=2mm,p=4T,t=2s。焊接时需要输入的最小有效功率密度为8×106W/m2。相同焊接工艺参数下置氢TC4钛合金接头的焊合率均高于未置氢钛合金,接头的焊缝宽度也明显小于未置氢钛合金。随着氢含量的增加,置氢钛合金接头的轴向缩短量先显著增加后又稍微降低。氢含量在0.3～0.4wt%之间时,钛合余具有较好的高温塑性,对于提高钛合金的线性摩擦焊连接性能最为有利。置氢-除氢处理过程没有降低TC4钛合金线性摩擦焊接头的室温力学性能。计算得出,置氢TC4钛合金获得成功焊接接头需要要输入的最小有效功率密度为5.5×106W/m2,与未置氢钛合金相比,降低幅度达到了30%。氢主要通过改变钛合金中的两相比例,促进高温变形过程中位错运动和动态再结晶等机制来增加钛合金的高温塑性,从而改善钛合金的线性摩擦焊连接性能。采用"COSMAP"有限元数值模拟软件,综合考虑线性摩擦焊过程中温度场、应力场、组织场的三场耦合作用,建立了三维弹塑性有限元模型,较好地对置氧TC4钛合金线性摩擦焊过程中的温度场、应力场以及焊缝区的相变过程进行了数值模拟,并对比分析了氢的影响。通过特定节点温度变化曲线的测量,接头表面残余应力的测量以及焊缝区的组织分析对模拟结果进行了试验验证,结果表明,模拟结果与试验结果吻合较好。此数值模拟结果可为钛合金线性摩擦焊的工艺参数优化与接头质量控制提供参考依据。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-27
  1.1 引言  14-15
  1.2 钛合金中氢的行为特点  15-18
    1.2.1 氧在钛合金中的溶解  15-16
    1.2.2 氢在钛合金中的扩散  16-17
    1.2.3 钛合金中的氢化物  17-18
  1.3 电子束焊接技术  18-20
    1.3.1 电子束焊接技术的原理  18-19
    1.3.2 电子束焊接的基本特点  19
    1.3.3 氢对钛合金电子束接头性能的影响  19-20
  1.4 线性摩擦焊技术  20-24
    1.4.1 线性摩擦焊原理  20-21
    1.4.2 线性摩擦焊的优缺点  21
    1.4.3 线性摩擦焊国内外研究现状  21-24
  1.5 热氢处理技术  24-26
    1.5.1 热氢处理技术概述  24-25
    1.5.2 氢对钛合金高温塑性的影响  25
    1.5.3 氢致高温塑性的国内外研究现状  25-26
  1.6 本课题的主要研究内容  26-27
第二章试验材料与方法  27-35
  2.1 试验材料  27
  2.2 试验设备及方法  27-30
    2.2.1 置氢试验  27-28
    2.2.2 电子束焊接试验  28-29
    2.2.3 线性摩擦焊试验  29-30
  2.3 试样加工  30-33
  2.4 显微组织分析  33
  2.5 置氢后电子束焊接头疲劳性能试验  33-34
  2.6 线必摩擦焊接头残余应力测量  34
  2.7 除氢试验  34
  2.8 除氢后线性摩擦焊接头室温力学性能试验  34-35
第三章氢对TC4钛合金室温组织的影响  35-46
  3.1 置氢TC4钛合金室温组织演变  35-39
  3.2 XRD物相分析  39-40
  3.3 氢对TC4钛合金亚结构的影响  40-42
    3.3.1 氢对位错密度的影响  40-41
    3.3.2 氢对孪晶的影响  41-42
  3.4 氢化物分析  42-45
    3.4.1 氢化物的析  42-44
    3.4.2 氢化物的形成机理分析  44-45
  3.5 本章小结  45-46
第四章氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳性能的影响  46-72
  4.1 氢对电子束焊接头显微组织的影响  46-50
  4.2 氢对接头疲劳裂纹扩展速率的影响  50-59
    4.2.1 氢含量对da/dN的影响  50-52
    4.2.2 相同氢含量的焊缝和母材试样的da/dN对比  52-53
    4.2.3 试样断口分析  53-58
    4.2.4 结果分析  58-59
  4.3 氢对接头疲劳寿命的影响  59-67
    4.3.1 疲劳试验结果  59-60
    4.3.2 试验结果分析  60-63
    4.3.3 断口分析  63-67
  4.4 氢影响疲劳性能的机理分析  67-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章置氢TC4钛合金线性摩擦焊连接改性研究  72-104
  5.1 TC4钛合金线性摩擦焊连接性能研究  72-90
    5.1.1 接头组织分析  72-75
    5.1.2 工艺参数对钛合金线性摩擦焊连接性能的影响  75-82
    5.1.3 焊接过程温度测量  82-84
    5.1.4 接头微观缺陷分析  84-86
    5.1.5 接头室温力学性能测试  86-89
    5.1.6 最小焊接功率密度的确定  89-90
  5.2 置氢TC4钛合金线性摩擦焊连接性能研究  90-98
    5.2.1 氢对钛合金线性摩擦焊接头显微组织的影响  90-92
    5.2.2 氢含量对钛合金线性摩擦焊连接性能的影响  92-95
    5.2.3 除氢后力学性能测试  95-98
  5.3 氢的作用机理探讨  98-101
  5.4 最佳氢含量及最小功率密度的制定  101-102
    5.4.1 最佳氢含量的确定  101-102
    5.4.2 计算最小功率密度  102
  5.5 本章小结  102-104
第六章置氢钛合金线性摩擦焊过程的数值模拟  104-124
  6.1 理论与计算方法  104-105
  6.2 模型的建立  105-107
    6.2.1 几何模型  105-106
    6.2.2 网格划分与边界条件  106-107
    6.2.3 摩擦热输入  107
  6.3 材料的物理参数  107-111
    6.3.1 热物性参数  107-109
    6.3.2 力学性能参数  109-111
  6.4 温度场模拟结果分析  111-115
    6.4.1 未置氢钛合金  111-113
    6.4.2 置氢钛合金对比分析  113-115
  6.5 应力场模拟结果分析  115-118
    6.5.1 未置氢钛合金  115-117
    6.5.2 置氢钛合金对比分析  117-118
  6.6 相变过程的计算  118-120
    6.6.1 未置氢钛合金  118-119
    6.6.2 置氢钛合金对比分析  119-120
  6.7 模拟结果试验验证  120-122
    6.7.1 测温度变化曲线  120-121
    6.7.2 残余应力测试  121
    6.7.3 焊缝显微组织观察  121-122
    6.7.4 模拟结果误差分析  122
  6.8 本章小结  122-124
结论  124-126
参考文献  126-132
创新点摘要  132-133
攻读博士学位期间发表的学术论文  133-134
致谢  134

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