细晶粒TC4钛合金TIG焊HAZ晶粒长大及组织转变规律

论文摘要

细晶粒材料对焊接热循环非常敏感,晶粒长大的驱动力大,钛合金热容大,导热性差,原子在β相中的扩散系数很大,导致细晶粒TC4钛合金热影响区晶粒具有严重的长大倾向,同时,细晶粒TC4钛合金发生在热影响区的组织转变过程及结果显著地改变接头的性能。本文针对细晶粒TC4钛合金TIG焊工艺下粗晶区的晶粒长大和组织转变进行了研究,并分析了组织对性能的影响。经历TIG焊接热循环后,细晶粒TC4钛合金焊缝及热影响区粗晶区晶粒严重长大。焊缝区形成粗大柱状晶,显微组织为粗大的α′马氏体,并伴有魏氏体生成;粗晶区形成粗大等轴晶,显微组织为较为粗大的α′马氏体;细晶区为细小的等轴晶,显微组织为细小的α′马氏体;过渡区组织为α+α′的混合组织。19μm晶粒TC4钛合金热影响区晶粒尺寸具有突变特征,不存在明显细晶区,过渡区组织带状分布。硬度测量结果表明,细晶粒TC4钛合金接头在熔合区存在硬度下降现象,不存在软化区,而19μm晶粒TC4钛合金粗晶区存在软化区。不同热输入下,两种材料接头拉伸性能良好,强度与母材相当。经历焊接热循环后,接头韧性降低,在熔合区部位脆性穿晶断裂,细晶粒TC4钛合金断口存在撕裂棱和韧窝等韧性成分,韧性好于19μm晶粒TC4钛合金。细晶粒TC4钛合金粗晶区晶粒尺寸随焊接热输入的增加而增大。相同热输入下,细晶粒TC4钛合金粗晶区晶粒尺寸小于19μm晶粒TC4钛合金。热模拟试验结果显示:相变点以上高温停留时间是影响粗晶区晶粒长大的主要因素,随着高温停留时间的增大,晶粒尺寸呈上升趋势,而相变点以下冷却速度的变化对两种材料晶粒尺寸影响很小。在不同焊接热输入下,细晶粒TC4钛合金粗晶区均为板条马氏体组织,亚结构存在位错和少量孪晶,随热输入的增大,马氏体板条的宽度和长度增加,位错密度增大,孪晶减少。热模拟试验显示:α/β相变以上的高温停留时间对马氏体形态不产生影响,随着高温停留时间的增大,晶界α相片层变厚,马氏体板条宽度增大,位错密度减小,导致粗晶区硬度降低,强度减小,塑性和韧性降低。α/β相变点以下的冷却速度严重影响马氏体的形态特征,冷速较小时,形成魏氏体组织,晶界α相片层较厚,板条马氏体位错密度低,粗晶区强度较低,塑性及抗疲劳性能差;冷速较大时,形成网篮组织,马氏体形态为针状孪晶马氏体,粗晶区塑性、韧性差。因此,焊接过程中,应避免较长的高温停留时间以及过快或过慢的冷却速度,从而使接头获得良好的力学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 细晶粒材料的焊接技术研究现状
• 1.3 TC4 钛合金焊接技术研究现状
• 1.3.1 TC4 钛合金焊接接头微观组织特征的研究
• 1.3.2 细晶粒TC4 焊接HAZ 晶粒长大及组织转变规律的研究
• 1.4 研究内容
• 第2章 细晶粒TC4 合金TIG 焊工艺
• 2.1 试验材料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 焊机
• 2.2.2 焊接工作台及夹具
• 2.2.3 气保护拖罩及背面垫板
• 2.3 试验过程及焊接工艺参数
• 2.4 本章小结
• 第3章 细晶粒TC4 合金接头组织分析与性能测试
• 3.1 试样的制备与观察
• 3.1.1 试样的制备
• 3.1.2 试样组织观察
• 3.2 焊接接头形貌特征
• 3.3 接头微观组织分析
• 3.3.1 焊缝区
• 3.3.2 HAZ 粗晶区
• 3.3.3 HAZ 细晶区
• 3.3.4 HAZ 过渡区
• 3.4 焊接热输入对HAZ 粗晶区组织的影响
• 3.4.1 焊接热输入对HAZ 粗晶区晶粒尺寸的影响
• 3.4.2 焊接热输入对HAZ 粗晶区精细组织的影响
• 3.5 焊接接头的力学性能分析
• 3.5.1 硬度试验与分析
• 3.5.2 拉伸实验及分析
• 3.5.3 断口观察与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 细晶粒TC4 合金焊接HAZ 晶粒长大规律研究
• 4.1 焊接过程中TC4 钛合金晶粒长大过程
• 4.2 热模拟实验设备及参数设定
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 试验参数设定
• 4.3 TC4 钛合金晶粒长大规律的热模拟研究
• 4.3.1 高温停留时间对TC4 钛合金晶粒长大的影响
• 4.3.2 冷却速度对TC4 金晶粒生长的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 细晶粒TC4 钛合金焊接HAZ 组织演变规律
• 5.1 TC4 钛合金马氏体相变原理
• 5.2 TC4 钛合金组织转变规律的热模拟研究
• 5.2.1 高温停留时间对组织转变的影响
• 5.2.2 高温停留时间对硬度的影响
• 5.2.3 冷却速度对组织转变的影响
• 5.2.4 冷却速度对硬度的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录