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TC4線性摩擦焊接頭氧化物的組織特征

• 發(fā)布日期：2017/1/10 10:44:00 閱讀次數(shù)：2250
•                  TC4線性摩擦焊接頭氧化物的組織特征
  
                     溫國棟,馬鐵軍,張勇,楊思乾
  
            （西北工業(yè)大學(xué)陜西省摩擦焊重點實驗室，陜西西安710072）
  
  摘要：進行了TC4線性摩擦焊焊接試驗，觀察了一定焊接條件下，TC4鈦合金線性摩擦焊接頭氧化物組織 的形態(tài)、組成、分布特點及組織特征。結(jié)果表明，其氧化物一般呈旋渦狀及連續(xù)的帶狀分布，在其周圍存在較多的 未焊合的孔洞；氧化物的成分主要由TiO2及Al2O3組成，其硬度比TC4母材高；氧化物組織由細小的孿晶狀的 TiO2及彌散分布的呈點狀的TiH組成。
  
  關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；線性摩擦焊；氧化物；組織特征
  
  線性摩擦焊的工藝特點決定了其焊接過程中飛 邊的形成、熱塑金屬的運動形式及焊接界面的封閉 過程與普通的旋轉(zhuǎn)式摩擦焊有明顯不同[1-2]。這些差 異使得線性摩擦焊界面更容易氧化，且清除其氧化 夾雜較為困難。在鈦合金的線性摩擦焊過程中焊接 界面金屬的氧化表現(xiàn)得更為突出。因此，研究鈦合金 線性摩擦焊接頭氧化物的分布特點及組織特征，找 出產(chǎn)生氧化物的原因，對優(yōu)化TC4線性摩擦焊工 藝，改善接頭的組織性能是十分必要的。
  
  1試件的尺寸、成分及焊接規(guī)范 線性摩擦焊TC4試件的尺寸為：長45mm， 焊接截面17mm×10mm。試件母材為熱軋態(tài)琢+茁 雙相組織，如圖1所示。用自制的氣壓式線性摩擦 焊機進行焊接試驗，其焊接規(guī)范參數(shù)見表1。
  
  2氧化物的形態(tài)及分布特點
  
  圖2為焊縫中心形成的漩渦狀的氧化物夾 雜。由于鈦的氧化物具有較高的硬度及抗腐蝕性，
  
   
  
  故在金相照片上呈現(xiàn)白亮的條、塊狀形態(tài)。漩渦狀 的氧化物形貌表明，試件往復(fù)的摩擦振動過程是 不平穩(wěn)的，存在著三維方向的抖動現(xiàn)象。產(chǎn)生這種 現(xiàn)象的主要原因是：①線性摩擦焊機的剛性不足； ②振動體的運動間隙過大；③摩擦界面的溫度分 布不均勻。
  
  試件在線性摩擦過程中沿三維方向的顫動過 程不僅破壞了焊接界面的封閉性，造成界面金屬 的氧化，而且使氧化物擠出焊接界面更加困難。 當(dāng)焊接界面的溫度較低時，氧化物及其鄰近 金屬的變形將更加困難，氧化物便以連續(xù)的帶狀 形態(tài)殘留在焊接界面上（圖3），從而使焊接接頭 的結(jié)合強度明顯降低。
  
  
  
  在焊縫的端部，由于界面的氧化更為嚴(yán)重，溫 度更低，不僅使焊接界面產(chǎn)生明顯的未焊合，而且 焊接界面兩側(cè)的氧化物出現(xiàn)了大量的裂紋（圖4）。
  
  
  
  鈦的氧化物熔點高達1858℃[3]，且硬度較高，故 存在在焊縫中的鈦氧化物就會影響往復(fù)摩擦中熱塑 金屬的變形運動，從而使流線形態(tài)變得更為復(fù)雜。 3氧化物的組織特征
  
  對圖3中的氧化物進行電鏡觀察及微區(qū)成分 分析，結(jié)果如圖5及表2所示。
  
  從表2中可看出，TC4焊縫的氧化物主要為 TiO2，并有少量的Al2O3。
  
  從圖5可看出，氧化物組織主要由白色基體
  
  
  
  上分布的細小的孿晶組織及彌散的點狀物組成。 考慮到TiO2均為正方晶系[3]，且大多具有孿生晶 體的特征，故細小的孿晶組織應(yīng)為TiO2。
  
  氫在茁鈦中的溶解度大于在琢鈦中的溶解 度，在325℃時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：茁圳琢酌。在325℃ 以下，氫在琢鈦中的溶解度急驟下降。據(jù)測定，在 常溫時，氫在琢鈦中的溶解度僅為0.00009%，共 析轉(zhuǎn)變后析出酌相，該相為鈦的氫化物（TiH）。用 電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鈦的氫化物以細片狀或針 狀析出[4]。因此，彌散分布的點狀物應(yīng)為TiH。 由于氮在鈦中的最大固溶度為7%左右[4]，因 此氮化物的數(shù)量不多。 母材及焊縫氧化物的顯微硬度如表3所示， 可見焊縫氧化物的硬度明顯高于母材硬度。
  
  
  
  較硬的鈦氧化物具有與母材完全不同的點陣 結(jié)構(gòu)，明顯影響了界面金屬的焊合。從圖5可以清 楚看到，在氧化物周圍存在的許多孔洞，而這種未 熔合的孔洞幾乎在每塊氧化物周圍均可發(fā)現(xiàn)。
  
  4結(jié)論
  
  （1）TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的氧化物一 般呈旋渦狀及連續(xù)的帶狀分布，在其周圍存在較 多的未焊合的孔洞。
  
  （2）氧化物的成分主要由TiO2及Al2O3組成， 其硬度比TC4母材高。
  
  
  
  
  
  （3）氧化物組織由細小的孿晶 狀的TiO2及彌散分布的呈點狀的TiH組成。
  
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  來源：中國化學(xué)試劑網(wǎng)