序言

钛合金拥有密度低、强度大、比强度高、耐侵蚀性好蹬着点，被宽泛利用于航空、航天、船舶等领域[1]。TA19钛合金作为一种近α型钛合金，与美国的Ti-6242钛合金相近，其名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0。1Si[2]，拥有强度高、韧性好及良好的抗蠕变机能[3]，已成功利用于航空发起机的压气机盘和机闸等部件[4]。目前国内表科研工作者选取了钨极氩弧焊、电子束焊等溶解焊步骤进行了钛合金的试验钻研[5-7]，实现了焊接成形，然而选取溶解焊工艺步骤焊接TA19钛合金会存在焊缝组织粗壮、焊后变形及高残存应力等焊接缺点，严沉造约了钛合金焊接件在航空航天领域的工程利用[7]。

惯性摩擦焊(inertiafrictionwelding，IFW)作为一种先进的固相衔接技术，凭借其优质、高效、绿色、节能的工艺特点在航空、航天等高技术领域得到了宽泛利用[8]。焊接过程中，工件在轴向压力作用下作相对摩擦活动，其摩擦产生的热量使焊接界面金属产生软化形成塑形变形层，在顶锻力的作用下形成焊接接头[9]。因焊接界面资料处于高温热塑性状态而未产生溶解，预防了溶解焊的夹渣、气孔、裂纹等焊接缺点[10]，所得焊缝组织晶粒藐幼，焊接接头拥有优异的综合力学机能[11]，已成为一些先进航空发起机关键部件造作的沉要工艺步骤[12]。文当选取正交试验法，在分歧焊接工艺参数对TA19钛合金进行惯性摩擦焊接试验钻研，对分歧焊接工艺参数下的焊接接头的显微硬度、室温及高温强度等力学机能进行检测，分析TA19钛合金的惯性摩擦焊接性，并针对优选工艺后的焊接接头微观组织进行了分析。

1、试验步骤

试验用资料为TA19钛合金锻件，工件尺寸为φ135mm×φ65mm，重要化学成分如表1所示。TA19钛合金为典型的双态组织，母材组织蕴含等轴状初生α相、板条状次生α相和β相，其β相晶粒尺寸约莫为30~50μm，如图1所示。

试验用设备为哈尔滨焊接钻研院有限公司自主研发的HSMZ-130型轴/径向惯性摩擦焊机。针对TA19钛合金工件，将初始转速和顶锻压力两个关键焊接工艺参数分两水平进行焊接正交试验，钻研焊接工艺参数对焊接成形、焊接接头机能及组织的影响，正交试验的成分水平见表2，正交试验见表3。利用显微硬度、常温拉伸等力学机能检测步骤评估TA19的惯性摩擦工艺焊接性。TA19钛合金作为航空发起机高压压气机低温端鼓筒盘常用资料，必要在480℃左右的高温环境下进行工作，为检测接头的焊接质量，需对其再进行高温拉伸检测，并分析典型焊接接头分歧区域的组织类型及存在状态。选取Q10型显微硬度仪测试各接头分歧区域的显微硬度，加载力为1kg；选取AG-Xplus250kN型拉伸试验机测试各接头室温及高温强度。利用GX51金相显微镜观察典型接头显微组织。

2、试验了局及分析

2.1焊接接头宏观描摹

图2为四种焊接工艺参数中较典型的TA19钛合金惯性摩擦焊接头宏观描摹，从图3能够观察到，TA19钛合金摩擦焊接头飞边状态齐全，焊接飞边部门区域有毛刺出现。但TA19钛合金惯性摩擦焊接头飞边产生了粘连，表表较粗糙。

钛合金在高温前提下极易氧化，形成Al₂O₃，TiO₂等氧化物，会严沉降低有关部件的焊接质量，影响其使用安全[13]。惯性摩擦焊接过程中，工件在焊接压力作用下界面处于封关状态，表界气体无法进入界面区，同时焊接界面上的热塑性金属及金属氧化物被挤出，可能获得高质量的焊接接头。

2.2焊接接头显微硬度分析

对焊接接头进行显微硬度测试分析，检测地位简图如图3所示。以焊缝界面中心向焊缝两侧5.6mm领域内进行硬度测试，其四种分歧焊接工艺参数下得到的接头显微硬度曲线如图4所示。图4为的四种焊接工艺参数下的焊接接头显微硬度变动曲线，显示了焊接接头从焊缝中心到两侧母材的显微硬度变动趋向。

从图5中能够观察到，四种接头的显微硬度变动趋向根基维持一致，焊缝中心区域显微硬度最高，随着距焊缝中心距离的增长，显微硬度逐步降低，显微硬度变动曲线关于焊缝中心呈对称散布。焊缝区的高硬度重要是由于焊缝区的急剧升温及降温使得焊缝中心形成了藐幼的再结晶组织马氏体α'相，随着距焊缝中心距离的增长，温度逐步降低，动态再结晶越不充分，马氏体α'相的数量骤减，显微硬度也出现了较大幅度的降低。

对比四种接头的显微硬度变动曲线可知，3号接头焊缝中心区域显微硬度最高，其次是2号接头，1号接头焊缝中心区的显微硬度最低。3号接头焊缝中心区域显微硬度最高重要是由于该接头对应工艺参数的初始转速高，能量输入大，等轴的初生α相及板条状次生α相充分溶化到了β相中，且顶锻压力低，焊缝中心保留了更多的热塑性金属，急剧的降温过程使得过鼓和β相无法进行扩散型相变，只能以切变的大局转化成了大量的马氏体α'相而存在焊缝区。4号接头的焊接能量输入大，但其顶锻压力高，焊缝中心挤出了过多的热塑性金属，形成了较大的焊接飞边，仅有相对较少的热塑性金属实现了动态再结晶过程，因而焊缝区的马氏体α'相数量削减，显微硬度降低。但四种焊接工艺参数下的接头焊缝区显微硬度都要远高于母材区，并且焊缝区的晶粒尺寸也更幼，拥有更好的力学机能。

2.3焊接接头拉伸机能分析

2.3.1常温拉伸

四种焊接工艺参数下的接头室温拉伸断后试样及检测了局别离如图5和表4所示。

通过图5能够发现，四种工艺参数下的焊接接头拉伸试样均断裂于远离焊缝中心的母材区，而未呈此刻焊缝区或热力影响区，注明上述四种焊接接头强度均高于母材而使得断裂地位均位于母材区。重要是由于焊接过程中焊缝区及热力影响区形成了藐幼的再结晶组织马氏体α'相，提高了焊缝区及热力影响区的强度，同时大的顶锻压力也细化了原始β晶粒组织，起到了肯定细晶强化作用。因而，经过惯性摩擦焊接工艺焊接的TA19钛合金接头抗拉强度蹬宗甚至稍高于母材区的抗拉强度。

TA19钛合金作为航空发起机常用资料，其室温抗拉强度要求的尺度值Rm=895MPa，而四种接头的室温抗拉强度均在900MPa以上。因而，TA19钛合金的惯性摩擦焊接质量可能很好的满足航空发起机TA19钛合金转子部件对焊接接头机能的要求。

2.3.2高温拉伸

航空发起机高压压气机转子部件必要在高温、高压等恶劣环境下工作，其工作温度通常在450~550℃领域内[14]，为检验TA19钛合金惯性摩擦焊接头的高温机能，针对TA19钛合金接头进行480℃高温拉伸试验，其拉伸断裂后试样及检测了局别离如图6和表5所示。

通过图6能够观察到，TA19钛合金在480℃高温前提下的拉伸断裂试样与常温拉伸断裂试样相近均断裂于远离焊缝中心的母材区，焊缝区均未出现显著的塑性变形而处于无缺状态，TA19惯性摩擦焊接头在480℃前提下仍拥有较高的抗拉强度。

TA19钛合金惯性摩擦焊接头焊缝区重要由过鼓和β相及马氏体α′相组成，其中马氏体α′相对提高焊缝区强度起到了沉要作用，同时焊接接头的急剧加热及降温过程也使得焊缝区得到了藐幼的动态再结晶晶粒，起到了细晶强化作用。而温度相对较低的热力影响区也得到了晶粒藐幼的β相及肯定数量的马氏体α′相，对提高热力影响区强度的作用相对次之，通过对接头显微硬度的检测在肯定水平上就可能间接反映接头各区域的强度散布情况。

TA19钛合金中的α相不变元素Al增长了固溶体中原子间的结合力，在提高母材自身高温强度上起到了决定性作用，而焊缝区及热力影响区的过鼓和马氏体α′相拥有了更高的耐热机能，提高了TA19钛合金惯性摩擦焊接头的高温强度。此表，中性元素Zr在起到固溶强化作用的基础上，也能提高TA19钛合金的高温机能。因而，TA19钛合金惯性摩擦焊接头在480℃高温前提下依然可能保障焊接接头的高强度机能，满足TA19钛合金航空发起机有关部件的服役环境要求。

2.4焊接接头组织分析

TA19钛合金作为航空发起机用耐高温结构资料，必要高质量的焊接接头能力满足转子部件高温、高压及高转速的刻薄前提要求。通过对焊接接头的初步力学机能检测可知，TA19钛合金的惯性摩擦焊接头质量远高于其它溶解焊步骤，该焊接工艺更适合于TA19钛合金资料有关部件的焊接工作。因而，在对接头进行力学机能检测的基础上，针对工艺优选后的接头微观组织类型及散布做进一步分析。

图7为TA19钛合金惯性摩擦焊接头组织宏观描摹，从图7中可能观察到接头四个显著区域：焊缝区(WZ)、热力影响区(TMAZ)、扰装响区(HAZ)、母材(BM)。其接头焊缝区熔合线宽约为70μm，单侧热力影响区宽度约为1500μm，单侧扰装区宽度约为1000μm。图中1为焊缝区熔合线。

图8a为接头焊缝区组织。焊缝区重要由少量沿β相晶界散布的沿晶α相+α′马氏体，焊缝原始β相呈等轴晶，晶粒尺寸在20~30μm。在焊接过程中，焊缝区温杜爪在1200℃左右，远高于α→β相转变温度，拥有hcp晶格的初生α相和板条状次生α相全数转造成了bcc晶格的β相，形成粗壮的等轴β相晶粒，在随后压力作用下，β相产生流变及再结晶，形成如图8a所示的晶粒尺寸在20~30μm的β相晶粒。随着焊缝区的急剧冷却，等轴β晶粒沿着晶界析出了少量的初生α相，大部门bcc晶格的β相无法进行扩散型相变而形成α相组织，只能以切变的方式转变为α′马氏体相，晶内α′马氏体相呈平行或交错散布，焊缝原β相晶界概括清澈可见。

图8b为接头热力影响区组织。热力影响区重要由变形初生α相+α′马氏体，可见β相晶界，相迸宗焊缝区组织特点拥有显著变动。焊接过程中，因温度最高的焊缝区热量逐步向两侧传导，使得焊缝区两侧母材温度升高，α相向β相转变，由于该区的温度低于α→β相转变温度，部门初生α相被保留下来，在焊接压力作用下经历了严沉的塑形变形，α相被分歧水平的拉长，并沿着摩擦方向呈方向性条状散布特点。此表，随着热力影响区温度的降低，晶粒内部门别以扩散型及切变型相变方式析出次生α相及α′马氏体相，原始β晶界隐隐可见。图8c为焊接接头扰装响区组织。通过对图8c的观察，扰装响区组织类型及存在状态在焊接过程中未产生显著变动，晶粒尺寸为15~50μm不等。经过焊接热循环的影响，初生α相显著削减，板条状β相厚度及次生α相散布状态产生了肯定水平变动，部门晶粒内板条状β相厚度增长，板条界面变的吞吐，有可能部门β相产生α′马氏体转变。另表，部吩旖行散布的次生α相转造成为交叉散布。

3、结论

(1)TA19钛合金拥有优良的惯性摩擦焊接性，在合理焊接工艺前提下能得到高强度焊接接头。

(2)TA19钛合金惯性摩擦焊接头常温及高温拉伸试验均断裂在远离焊缝中心的母材区。

(3)TA19钛合金惯性摩擦焊接头常温拉伸最高抗拉强度最高达969MPa，480℃高温拉伸试验最高抗拉强度最高达到了688MPa。

(4)TA19钛合金惯性摩擦焊接头焊缝区组织由少量初生α相+马氏体α′+少量晶界β相；热力影响区由变形初生α相+马氏体α′+少量晶界β相；扰装响区组织与母材组织相近，仅部门板条状β相厚度增长及板条状次生α相产生了交叉散布。

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作者简介：张春波，男，1986 年诞生，博士钻研生. 重要从事摩擦焊接工艺及节造系统的钻研工作. 已颁发论文 10 篇. Email：zhangcbcb@163.com

通讯作者：周 军，男，硕士，钻研员. Email：mch_zhoujun@126.com