高鈮TiAl-Ti600合金電子束焊接接頭組織及性能研究.pdf

1、高鈮TiAl合金及高溫鈦合金由于密度小、比強度高，尤其是在高溫下仍能保持足夠的強度與剛度，使其作為火箭發(fā)動機推力室替代材料具有極大的應(yīng)用價值。由于高鈮TiAl合金焊接接頭冷裂傾向嚴重，對接頭使用性能影響較大，因此本文對2mm厚高鈮TiAl/Ti600合金電子束焊接接頭裂紋產(chǎn)生機理及其控制措施進行了研究。
　　通過對高鈮TiAl/Ti600合金進行電子束對中焊接發(fā)現(xiàn)，接頭極易產(chǎn)生冷裂紋。其原因在于接頭組織脆化和焊接殘余應(yīng)力較大。在組

2、織方面，對中焊接頭焊縫區(qū)由于冷卻速度極快導(dǎo)致形成大量針狀α/α2組織，細小針狀組織增加了接頭的脆性，導(dǎo)致裂紋極易產(chǎn)生并擴展；在接頭殘余應(yīng)力方面，由接頭應(yīng)力場有限元模擬可知，電子束焊接極快的冷卻速度導(dǎo)致接頭焊縫區(qū)殘余應(yīng)力高于高鈮TiAl合金室溫屈服強度，使得接頭易于在低應(yīng)力下產(chǎn)生微裂紋，極大影響了接頭的使用性能。
　　結(jié)合對Ti3Al合金焊接性的分析以及接頭冷卻速度對組織和應(yīng)力的影響，本文提出采用電子束偏束焊接和電子束熱補償焊接兩種

3、方法來控制接頭裂紋的產(chǎn)生。當采用偏束焊后，接頭裂紋數(shù)量隨偏束距離增加而減少，但由于接頭產(chǎn)生較多α相，導(dǎo)致其性能也隨之下降，特別是偏束距離達到0.5mm后，接頭出現(xiàn)未熔合缺陷，最終未獲得完全無裂紋的接頭。當采用熱補償焊接后，焊縫區(qū)組織變?yōu)榧毿♂槧???2相網(wǎng)籃組織，接頭塑韌性提高，可獲得成形良好、無橫向裂紋的焊接接頭。接頭力學(xué)性能隨熱補償次數(shù)增多獲得大幅提高。文中還對偏束+熱補償復(fù)合焊接進行了研究，結(jié)果表明：復(fù)合焊接方法也可獲得無裂紋接頭

4、，但相比于單獨采用熱補償焊接方法接頭性能出現(xiàn)一定下降，因此可認為熱補償焊接工藝為控制接頭裂紋的最佳有效措施。
　　為驗證殘余應(yīng)力對接頭裂紋產(chǎn)生的影響，本文對高鈮TiAl/Ti600合金電子束焊接進行了有限元模擬，結(jié)果表明：對中焊接頭焊縫區(qū)縱向殘余應(yīng)力達到700MPa，超過其屈服強度；當采用偏束焊后，焊縫區(qū)縱向應(yīng)力幾乎不變；而當采用熱補償焊后，焊縫區(qū)冷卻速度急劇降低，同時其縱向應(yīng)力隨熱補償次數(shù)增加而逐漸降低，這說明降低接頭縱向應(yīng)力有