论文标题：High Temperature Mechanical Properties and Microstructure Evolution of Ti-6Al-4V Alloy Linear Friction Welding Joints

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作者：Chen Zhang et al.

发表时间：18 February 2022

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文章导读

近年来，钛合金因其优异的机械性能和良好的与复合材料电明升手机匹配性而广泛用于飞机的曲率结构，如机翼、加强框架等承力部件。然而，对于高肋复杂截面的整体构件 (例如，隔板) 的低成本制造仍缺乏有效手段。线性摩擦焊 (LFW) 因其高可靠性、快速响应和接头热影响区小的特点，已成为复杂异形结构件成形的潜在发展技术。但由于缺乏对焊接接头高温流动行为和微观结构演变规律研究，限制了线性摩擦焊 (LFW) 和热成型技术相结合的组合制造方法应用的发展。

来自北京航空航天大学的研究团队 (博士研究生张晨、李东升教授、李小强教授、李勇教授、硕士研究生夏秦) 搭建了基于数字图像相关 (DIC) 的电辅助高温单轴拉伸试验平台，对Ti-6Al-4V钛合金LFW接头进行了不同温度 (923~1023 K) 的单轴拉伸试验。然后通过扫描电子显微镜 (SEM)、电子背散射衍射 (EBSD) 和透射电子显微镜 (TEM) 分析了LFW接头在不同热变形条件下的显微组织演变规律。

研究过程

本研究采用钛合金棒材拉伸试样进行高温单向拉伸试验，采用线切割法垂直于焊缝中心进行切割，拉伸方向平行于挤压方向，如图1所示。其中，试样长度40 mm，平行段长度22 mm，标距段长度为5 mm，直径为3 mm，试样两端为M5细牙螺纹，夹持长度为9 mm。

图1. 电辅助高温单向拉伸试样形状及几何尺寸 (单位：mm)。

试验前，在钛合金试样上分别喷涂耐高温黑色哑光黑漆和哑光白漆，用于后续温度场和应变场的测量。试验过程中，采用ARAMIS 3D DIC测量系统对钛合金试样实时三维全场变形图像采集，获得均匀应变场并确定标距段长度。采用非接触式高温热像仪 (Fotric 227 S) 系统实现钛合金试样的温度场，获得特定温度下的高温应力应变数据。

图2. 电辅助高温单向拉伸试样温度场和应变场的测量 (单位：mm)。

试样在高温拉伸后立即淬火处理以获得高温变形后的微观组织，通过机械研磨和抛光制备测试样品，然后使用5%高氯酸 + 65%甲醇 + 30%丁醇的抛光液在−25 °C下对试样表面进行电解刻蚀，分别用扫描电子显微镜 (SEM，JSM-7900 F，加速电压为15 kV) 和电子背散射衍射 (EBSD，JSM-7900 F，加速电压为20 kV) 观察了摩擦焊接头的焊接中心区 (WCZ)、热机械影响区 (TMAZ) 和母材 (PM) 的微观结构特征，在150 × 170 μm2范围内，以0.2 μm的步长进行了EBSD晶粒取向测试。

对于透射电镜 (TEM，Tecnia F30) 观察，先将样品研磨至厚度小于100，然后冲压出3 mm 厚的圆盘，并在248 K下在双射流减薄仪中使用抛光液 (4.8%次氯酸 + 59.7%甲醇 + 35.5%丁醇) 制备样品，用于晶粒位错形貌观察。

研究结果

结论1：LFW接头的力学性能具有明显的温度相关性。在弹性阶段，流动应力随着应变的增加而迅速增加。由于高温软化，一旦合金达到峰值，应力曲线呈现下降趋势，如图4所示。LFW接头在不同变形条件下的热变形机制是多种多样的：随着变形温度从923 K增加到1023 K，热变形机制从位错蠕变机制转变为自扩散机制。

图3. TC4焊接接头高温单向拉伸应力–应变曲线 (a) 650℃，(b) 700℃。

结论2：不同温度下LFW接头的微观形貌和晶粒尺寸演变规律如图4所示。焊缝中心区 (完全动态再结晶) 的平均晶粒尺寸由923 K的1.9上升到1023 K的2.3，晶粒取向发生变化；热及影响区 (部分动态再结晶) 中的晶粒尺寸变化不大，由38.4减小到36.1，随后增加到39.7。可能是沿晶界出现了部分细小晶粒，但由于变形温度较低 (1023 K) 和应变较小 (0.1)，晶粒没有充分长大导致的，母材区 (原始组织) 晶粒尺寸和晶内片层的厚度由于温度升高略有增加。

图4. 不同变形温度下 (650, 700, 750 ℃) 摩擦焊接头的晶粒形貌和晶粒尺寸演变规律 (a) LFW接头的晶粒取向图像; (b) LFW接头的Band contrast (BC) 图像; (c) LFW接头的平均晶粒尺寸。

结论3：不同温度下高低角度晶界的数量比例如图5所示，随着温度的升高，LAB (＜5 °) 的含量从650 ℃的42.7%下降到750 ℃时的30.1%，HAB (＞15 °) 的含量则从49.2%迅速上升到64.1%，LAB晶界高温下向HAB晶界转化明显。不连续动态再结晶 (DDRX) 为LFW接头高温变形过程中形核的主要机制，它们通过改变晶粒取向或动态再结晶来影响宏观力学行为。

图5. 应变速率0.01 s−1时不同温度下的晶界比例。

研究总结

1. 钛合金线性摩擦焊接头的高温流动行为表现出明显的温度和应变速率相关性，所有的流动应力曲线都呈现出类似的趋势：一旦合金达到峰值，由于高温软化，应力曲线呈现下降趋势。屈服应力σ0.2从923 K时的203 MPa下降到1023 K时的105 MPa，并随着应变速率从0.001 s-1的85 MPa上升到0.001 s-1的130 MPa。

2. LFW接头在不同变形条件下的热变形机制是多种多样的：随着变形温度从923 K增加到1023 K，热变形机制从位错蠕变机制转变为自扩散机制，不连续动态再结晶 (DDRX) 成为LFW接头高温变形过程中形核的主要机制。

3. 焊接接头不同区域的晶粒尺寸有不同的变化趋势：母材区中的平均晶粒尺寸从923 K时的43 μm增加到1023 K时的48.4 μm，而热及影响区中的晶粒尺寸首先从38.4 μm减小到36.1 μm，然后由于再结晶而增加到39.7 μm。它广泛存在于LFW接头的热变形过程中，会促进亚晶粒的旋转，以减轻位错堆积或促进高角度晶界的形成。

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期刊介绍

主编：

Antonio J. Marques Cardoso, University of Beira Interior， Portugal

主要刊发机器诊断和预测、机器设计，机械系统、机器和相关组件，机械工业、机电一体化、机器人、工业设计、自动化应用、系统和控制工程、电子工程、人机界面、机器视觉、涡轮机械等领域的最新学术成果。

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