高铌TiAl/Ti600合金电子束焊接接头组织及性能研究

摘要

高铌TiAl合金及高温钛合金由于密度小、比强度高，尤其是在高温下仍能保持足够的强度与刚度，使其作为火箭发动机推力室替代材料具有极大的应用价值。由于高铌TiAl合金焊接接头冷裂倾向严重，对接头使用性能影响较大，因此本文对2mm厚高铌TiAl/Ti600合金电子束焊接接头裂纹产生机理及其控制措施进行了研究。
　　通过对高铌TiAl/Ti600合金进行电子束对中焊接发现，接头极易产生冷裂纹。其原因在于接头组织脆化和焊接残余应力较大。在组织方面，对中焊接头焊缝区由于冷却速度极快导致形成大量针状α/α2组织，细小针状组织增加了接头的脆性，导致裂纹极易产生并扩展；在接头残余应力方面，由接头应力场有限元模拟可知，电子束焊接极快的冷却速度导致接头焊缝区残余应力高于高铌TiAl合金室温屈服强度，使得接头易于在低应力下产生微裂纹，极大影响了接头的使用性能。
　　结合对Ti3Al合金焊接性的分析以及接头冷却速度对组织和应力的影响，本文提出采用电子束偏束焊接和电子束热补偿焊接两种方法来控制接头裂纹的产生。当采用偏束焊后，接头裂纹数量随偏束距离增加而减少，但由于接头产生较多α相，导致其性能也随之下降，特别是偏束距离达到0.5mm后，接头出现未熔合缺陷，最终未获得完全无裂纹的接头。当采用热补偿焊接后，焊缝区组织变为细小针状???2相网篮组织，接头塑韧性提高，可获得成形良好、无横向裂纹的焊接接头。接头力学性能随热补偿次数增多获得大幅提高。文中还对偏束+热补偿复合焊接进行了研究，结果表明：复合焊接方法也可获得无裂纹接头，但相比于单独采用热补偿焊接方法接头性能出现一定下降，因此可认为热补偿焊接工艺为控制接头裂纹的最佳有效措施。
　　为验证残余应力对接头裂纹产生的影响，本文对高铌TiAl/Ti600合金电子束焊接进行了有限元模拟，结果表明：对中焊接头焊缝区纵向残余应力达到700MPa，超过其屈服强度；当采用偏束焊后，焊缝区纵向应力几乎不变；而当采用热补偿焊后，焊缝区冷却速度急剧降低，同时其纵向应力随热补偿次数增加而逐渐降低，这说明降低接头纵向应力有助于抑制接头裂纹的产生。

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第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 课题的研究内容及试验方案

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验分析测试方法

第3章 高铌TiAl/Ti600合金电子束对中焊接头组织及性能

3.1 引言

3.2 接头表面成形及裂纹缺陷

3.3 接头组织分析

3.4 接头力学性能和断裂特征

3.5 本章小结

第4章 电子束偏束及热作用对接头组织及性能影响

4.1 电子束偏束焊工艺研究

4.2 电子束热补偿工艺研究

4.3 本章小结

第5章 接头温度场及应力场有限元分析

5.1 有限元模型建立及求解

5.2 接头温度场分析

5.3 接头应力场分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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