FGH96/GH4169高溫合金慣性摩擦焊熱變形組織及行為分析

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083； 2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

FGH96/GH4169高溫合金慣性摩擦焊熱變形組織及行為分析

王彬1黃繼華1張?zhí)飩}(cāng)2季亞娟2何勝春2

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083； 2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

建立了FGH96/GH4169慣性摩擦焊接頭組織形成過(guò)程的有限元模型,分析了焊縫熱變形組織和飛邊的形成模式。結(jié)果表明，摩擦熱的作用使近摩擦面處母材形成塑性層，塑性層在軸向頂鍛力作用下發(fā)生塑性流動(dòng)，形成拉長(zhǎng)組織并在摩擦面高溫、高壓及高應(yīng)變速率作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，拉長(zhǎng)組織邊界消失，再結(jié)晶晶粒呈無(wú)序等軸狀。摩擦面金屬沿徑向流動(dòng)，在邊緣處擠出，其摩擦面延伸側(cè)受拉應(yīng)力作用，最終形成卷曲飛邊并實(shí)現(xiàn)自清理作用。

高溫合金慣性摩擦焊熱變形組織

0 序 言

慣性摩擦焊通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)焊試件間的摩擦作用提供熱源，在摩擦界面及其近區(qū)域金屬達(dá)到塑性狀態(tài)后，施加軸向壓力獲得固相連接接頭。其工藝高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保，在汽車、航天以及航空領(lǐng)域，尤其是在高溫合金的連接方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前很多先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司在高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及渦輪部件連接領(lǐng)域都選用慣性摩擦焊作為關(guān)鍵工藝。研究工作者對(duì)慣性摩擦焊技術(shù)的接頭微觀結(jié)構(gòu)、溫度應(yīng)力場(chǎng)及材料流動(dòng)性進(jìn)行了大量的研究[1-6]。慣性摩擦焊焊縫區(qū)受熱循環(huán)和機(jī)械作用影響劇烈，組織變化程度大，晶粒的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)非常復(fù)雜。最后在焊縫心部形成等軸細(xì)晶組織及拉長(zhǎng)晶粒，同時(shí)塑性金屬在徑向應(yīng)力的作用下沿摩擦面移出形成飛邊，飛邊是慣性摩擦焊的典型宏觀特征，其組織形貌對(duì)焊接接頭有重要的影響。

FGH96粉末高溫合金是當(dāng)前制造750 ℃工作溫度下渦輪盤(pán)等熱端部件關(guān)鍵材料[7]，GH4169高溫合金是650 ℃工作溫度下航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸的常用材料[8]。文中以航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體渦輪轉(zhuǎn)子焊接制造為應(yīng)用目標(biāo)，用慣性摩擦焊技術(shù)得到了FGH96/GH4169異質(zhì)高溫合金接頭，對(duì)接頭微觀組織形貌進(jìn)行分析，建立了焊縫組織形成的數(shù)理模型，解釋了飛邊微觀組織形貌的形成行為，為FGH96/GH4169慣性摩擦焊的應(yīng)用提供了技術(shù)理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用FGH96合金以γ′相為主要強(qiáng)化相，體積分?jǐn)?shù)約占36%，所用另一種材料GH4169合金為沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，主要強(qiáng)化為由γ″相、γ′相及δ相。采用MTI MODEL-300BX慣性摩擦焊機(jī)對(duì)兩種材料進(jìn)行了慣性摩擦焊連接，焊接面為φ60 mm×40 mm圓環(huán)。焊接工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2 493 kg·cm2，飛輪轉(zhuǎn)數(shù)600～900 r/min，頂鍛壓力12.4～17.9 MPa。

如圖1所示，研究飛邊的形成與材料塑性流動(dòng)。焊后用CuCl2鹽酸酒精試劑腐蝕拋光后的試樣，在DSX500光學(xué)顯微鏡和Quanta 250掃描電鏡下觀察慣性摩擦焊接頭的組織形貌，進(jìn)行分析并建立物理模型。

圖1 慣性摩擦焊的數(shù)值模型

應(yīng)用DEFORM軟件建立慣性摩擦焊的三維熱力耦合有限元模型。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭熱變形組織

圖2為FGH96/GH4169高溫合金慣性摩擦焊接頭組織?？梢园l(fā)現(xiàn)，接頭實(shí)現(xiàn)良好焊合，界面呈現(xiàn)鋸齒或波浪狀。慣性摩擦焊接過(guò)程中，對(duì)焊件相對(duì)高速旋轉(zhuǎn)摩擦，在摩擦面生成高溫，頂鍛過(guò)程產(chǎn)生高壓，摩擦面金屬發(fā)生劇烈的塑性變形，金屬間發(fā)生流動(dòng)、犁割與擴(kuò)散等現(xiàn)象。焊后接頭在沿垂直焊縫方向形成基本對(duì)稱分布的五個(gè)區(qū)域。接頭中心溫度高，壓力大，變形速率快，金屬發(fā)生充分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成等軸細(xì)晶區(qū)(WZ)，等軸細(xì)晶區(qū)外側(cè)溫度和壓力有所降低，不足以使FGH96合金與GH4169合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而使其在溫度壓力作用下形成拉長(zhǎng)組織，可稱為熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)，熱機(jī)影響區(qū)外側(cè)為母材的初始組織(BM)。

圖2 接頭組織形貌

在慣性摩擦焊過(guò)程中飛輪存儲(chǔ)大量轉(zhuǎn)動(dòng)能量，摩擦?xí)r其機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為焊接界面的分子熱運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了大量的摩擦熱，高溫作用下近摩擦面的母材形成塑性軟化層。塑性軟化層在頂鍛軸向壓力和摩擦剪切壓力作用下發(fā)生塑性流動(dòng)，其流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度和方向隨焊接過(guò)程不斷發(fā)生變化,其流動(dòng)形式屬于非穩(wěn)定流場(chǎng)。特別是在摩擦面的邊緣位置，其徑向約束弱，流動(dòng)金屬在該位置流出摩擦面，如圖3所示,箭頭方向?yàn)檐浕瘜拥牧鲃?dòng)方向,最后沿徑向凸出形成飛邊。

2.2 飛邊形貌及行為分析

慣性摩擦焊會(huì)在摩擦面邊緣處擠出飛邊，如圖4所示，靠近摩擦面?zhèn)葹榧?xì)晶組織，由摩擦面擠出的金屬構(gòu)成，遠(yuǎn)離摩擦面?zhèn)葹槔L(zhǎng)晶粒，由未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的組織構(gòu)成。飛邊是慣性摩擦焊的典型熱變形結(jié)構(gòu)，且環(huán)形試件后續(xù)加工過(guò)程中，內(nèi)飛邊難以清除，常成為影響接頭性能的關(guān)鍵因素，因此研究其形成過(guò)程對(duì)焊接接頭有重要的影響。

圖3 接頭塑性軟化層的流動(dòng)

圖4 飛邊組織形貌

為研究慣性摩擦焊接頭飛邊形貌及摩擦面金屬流動(dòng)，依據(jù)GH4169合金本構(gòu)方程建立有限元模型。本構(gòu)方程通過(guò)GLEEBLE模擬試驗(yàn)建立如式(1)：

(1)

考慮到摩擦界面及其近域材料溫度變化與塑性流動(dòng)較為劇烈，界面區(qū)域網(wǎng)格采用加密劃分。模擬中，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)發(fā)生畸變的單元進(jìn)行網(wǎng)格重劃以保證計(jì)算精度。同時(shí)，由于圓環(huán)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，采用1/4模型進(jìn)行計(jì)算以減小計(jì)算量。

圖5為摩擦焊8.5 s時(shí)刻的溫度分布等高線圖，可見(jiàn)溫度場(chǎng)基本以中心對(duì)稱，摩擦后在摩擦面處形成了一個(gè)高溫區(qū)，溫度梯度沿垂直摩擦面方向變化很快，在平行摩擦面方向形成不同軟化程度的塑性金屬層。此時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量與通過(guò)飛邊擴(kuò)展及熱傳遞散失的熱量基本形成動(dòng)態(tài)準(zhǔn)平衡，界面溫度保持準(zhǔn)穩(wěn)定，表面塑性金屬在頂鍛力作用下不斷擠出，同時(shí)新的塑性金屬層持續(xù)生成，厚度基本保持均勻化。

圖6為摩擦焊接8.5 s時(shí)刻的軸向應(yīng)力分布等高線圖，可見(jiàn)試件主要承受軸向壓應(yīng)力作用，但在摩擦面延伸部分壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

圖5 8.5 s時(shí)刻溫度分布

圖6 8.5 s時(shí)刻軸向應(yīng)力分布

摩擦焊過(guò)程中，摩擦面上溫度逐漸升高，界面金屬變形抗力減小，金屬的流動(dòng)速度逐漸增大，摩擦面對(duì)稱于中心區(qū)域出現(xiàn)形成流動(dòng)分界圓，分界圓內(nèi)側(cè)的金屬沿徑向向圓心流動(dòng)，分界圓外側(cè)的金屬材料沿徑向背離圓心流動(dòng)，如圖7所示。在頂鍛壓力的作用下，在拘束較弱的表面邊緣位置，金屬不斷被擠出。摩擦面主要承受軸向壓應(yīng)力作用，并且壓應(yīng)力基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，但擠出金屬在摩擦面延伸區(qū)域承受拉應(yīng)力作用，在另一側(cè)則仍受壓應(yīng)力作用。在兩種應(yīng)力共同作用下，擠出金屬向頂鍛壓力反方向卷曲從而形成飛邊。

圖7 8.5 s時(shí)刻流動(dòng)速度矢量分布

2.3 摩擦面金屬流動(dòng)

為進(jìn)一步表征摩擦面金屬的流動(dòng)情況，在摩擦面選取了2點(diǎn)進(jìn)行分析，點(diǎn)P1與P2分別位于摩擦面徑向焊件中心兩側(cè)的位置。摩擦初期，P1與P2在徑向的位移為0，如圖8a所示。摩擦后期，隨溫度升高、頂鍛力作用及材料變形抗力減小，P1與P2在徑向出現(xiàn)位移，并迅速增大，接近摩擦面邊緣時(shí)，位移變慢，P1與P2進(jìn)入飛邊，如圖8b所示。在拉應(yīng)力作用下開(kāi)始卷曲運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)慣性摩擦焊的自清理作用，摩擦面的氧化物等夾雜隨金屬流動(dòng)被擠出的飛邊帶走。

圖8 慣性摩擦焊過(guò)程P1,P2流動(dòng)位置

為驗(yàn)證摩擦面金屬的流動(dòng)情況，采用紫銅絲作為示蹤材料進(jìn)行了焊接，焊后金屬流動(dòng)形貌如圖9所示，表面紫銅確實(shí)隨金屬流動(dòng)出現(xiàn)于飛邊處，證實(shí)了數(shù)值分析的結(jié)果。

圖9 慣性摩擦焊紫銅絲流動(dòng)位置

3 結(jié) 論

(1)焊接接頭的微觀組織形貌由焊接面處等軸細(xì)晶區(qū)、呈現(xiàn)為拉長(zhǎng)晶粒組織的熱機(jī)影響區(qū)以及母材區(qū)域組成。

(2)有限元模型顯示摩擦焊過(guò)程在垂直摩擦面方向有較大的溫度梯度分布，摩擦面受軸向壓應(yīng)力作用，在邊緣處由于約束弱致使金屬擠出，擠出金屬在摩擦面延伸側(cè)承受拉應(yīng)力作用，最終形成焊接飛邊。

(3)頂鍛過(guò)程中摩擦面對(duì)稱于中心區(qū)域出現(xiàn)形成流動(dòng)分界圓，金屬質(zhì)點(diǎn)沿徑向流動(dòng)進(jìn)入飛邊，夾雜隨金屬流動(dòng)產(chǎn)生慣性摩擦焊的自清理作用。

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2016-12-05

TG453

王 彬，1979年出生，博士研究生。主要從事慣性摩擦技術(shù)研究，已發(fā)表論文6篇。