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TC4线性摩擦焊接头氧化物的组织特征

• 发布日期：2017/1/10 10:44:00 阅读次数：1999
•                  TC4线性摩擦焊接头氧化物的组织特征
  
                     温国栋,马铁军,张勇,杨思乾
  
            （西北工业大学陕西省摩擦焊重点实验室，陕西西安710072）
  
  摘要：进行了TC4线性摩擦焊焊接试验，观察了一定焊接条件下，TC4钛合金线性摩擦焊接头氧化物组织 的形态、组成、分布特点及组织特征。结果表明，其氧化物一般呈旋涡状及连续的带状分布，在其周围存在较多的 未焊合的孔洞；氧化物的成分主要由TiO2及Al2O3组成，其硬度比TC4母材高；氧化物组织由细小的孪晶状的 TiO2及弥散分布的呈点状的TiH组成。
  
  关键词：TC4钛合金；线性摩擦焊；氧化物；组织特征
  
  线性摩擦焊的工艺特点决定了其焊接过程中飞 边的形成、热塑金属的运动形式及焊接界面的封闭 过程与普通的旋转式摩擦焊有明显不同[1-2]。这些差 异使得线性摩擦焊界面更容易氧化，且清除其氧化 夹杂较为困难。在钛合金的线性摩擦焊过程中焊接 界面金属的氧化表现得更为突出。因此，研究钛合金 线性摩擦焊接头氧化物的分布特点及组织特征，找 出产生氧化物的原因，对优化TC4线性摩擦焊工 艺，改善接头的组织性能是十分必要的。
  
  1试件的尺寸、成分及焊接规范 线性摩擦焊TC4试件的尺寸为：长45mm， 焊接截面17mm×10mm。试件母材为热轧态琢+茁 双相组织，如图1所示。用自制的气压式线性摩擦 焊机进行焊接试验，其焊接规范参数见表1。
  
  2氧化物的形态及分布特点
  
  图2为焊缝中心形成的漩涡状的氧化物夹 杂。由于钛的氧化物具有较高的硬度及抗腐蚀性，
  
   
  
  故在金相照片上呈现白亮的条、块状形态。漩涡状 的氧化物形貌表明，试件往复的摩擦振动过程是 不平稳的，存在着三维方向的抖动现象。产生这种 现象的主要原因是：①线性摩擦焊机的刚性不足； ②振动体的运动间隙过大；③摩擦界面的温度分 布不均匀。
  
  试件在线性摩擦过程中沿三维方向的颤动过 程不仅破坏了焊接界面的封闭性，造成界面金属 的氧化，而且使氧化物挤出焊接界面更加困难。 当焊接界面的温度较低时，氧化物及其邻近 金属的变形将更加困难，氧化物便以连续的带状 形态残留在焊接界面上（图3），从而使焊接接头 的结合强度明显降低。
  
  
  
  在焊缝的端部，由于界面的氧化更为严重，温 度更低，不仅使焊接界面产生明显的未焊合，而且 焊接界面两侧的氧化物出现了大量的裂纹（图4）。
  
  
  
  钛的氧化物熔点高达1858℃[3]，且硬度较高，故 存在在焊缝中的钛氧化物就会影响往复摩擦中热塑 金属的变形运动，从而使流线形态变得更为复杂。 3氧化物的组织特征
  
  对图3中的氧化物进行电镜观察及微区成分 分析，结果如图5及表2所示。
  
  从表2中可看出，TC4焊缝的氧化物主要为 TiO2，并有少量的Al2O3。
  
  从图5可看出，氧化物组织主要由白色基体
  
  
  
  上分布的细小的孪晶组织及弥散的点状物组成。 考虑到TiO2均为正方晶系[3]，且大多具有孪生晶 体的特征，故细小的孪晶组织应为TiO2。
  
  氢在茁钛中的溶解度大于在琢钛中的溶解 度，在325℃时发生共析转变：茁圳琢酌。在325℃ 以下，氢在琢钛中的溶解度急骤下降。据测定，在 常温时，氢在琢钛中的溶解度仅为0.00009%，共 析转变后析出酌相，该相为钛的氢化物（TiH）。用 电子显微镜观察，发现钛的氢化物以细片状或针 状析出[4]。因此，弥散分布的点状物应为TiH。 由于氮在钛中的最大固溶度为7%左右[4]，因 此氮化物的数量不多。 母材及焊缝氧化物的显微硬度如表3所示， 可见焊缝氧化物的硬度明显高于母材硬度。
  
  
  
  较硬的钛氧化物具有与母材完全不同的点阵 结构，明显影响了界面金属的焊合。从图5可以清 楚看到，在氧化物周围存在的许多孔洞，而这种未 熔合的孔洞几乎在每块氧化物周围均可发现。
  
  4结论
  
  （1）TC4钛合金线性摩擦焊接头的氧化物一 般呈旋涡状及连续的带状分布，在其周围存在较 多的未焊合的孔洞。
  
  （2）氧化物的成分主要由TiO2及Al2O3组成， 其硬度比TC4母材高。
  
  
  
  
  
  （3）氧化物组织由细小的孪晶 状的TiO2及弥散分布的呈点状的TiH组成。
  
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  来源：中国化学试剂网