置氢钛合金搅拌摩擦焊接技术研究

摘要

置氢处理是钛合金的一种特有的热处理方式，即把氢作为临时合金化元素，通过氢置塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用来改善钛合金的热加工性能。本文采用搅拌摩擦焊技术焊接置氢钛合金，通过设计合理的焊具，解决钛合金搅拌摩擦焊接的关键问题，并对接头微观组织和力学性能以及温度场进行研究。
　　采用W-3％Re合金，加工圆锥型搅拌针的搅拌头，实现了钛合金搅拌摩擦焊接。所设计的带水冷和气体保护的辅助装置使得钛合金搅拌摩擦焊接过程稳定，焊缝表面光亮，成形良好。
　　接头微观组织分析表明，在未置氢的接头中，未发现马氏体和氢化物，焊核区为等轴状的α相及分布在α相之间的β相，组织也较母材细化；而在置氢的接头中，随着氢含量的增加，接头焊核区β相、马氏体α?相和δ氢化物的数量逐渐增多，尺寸逐渐长大，组织较母材粗化。
　　接头性能测试表明，随着氢含量的增加，母材和接头抗拉强度都是先增大后降低，并在置氢量为0.2wt%时取得最大值。随着氢含量的增加，接头各区的硬度值都下降。不同置氢含量的接头，焊核区的硬度都比母材要高。
　　建立了搅拌摩擦过程中的摩擦产热解析模型，通过测试结果验证了热源模型的合理性。有限元模拟分析表明，焊缝中心温度达到了1360℃左右，高于TC4钛合金的β相变点，说明焊核区发生了β相变，从而造成焊核区发生组织变化。

目录

置氢钛合金搅拌摩擦焊接技术研究

STUDY OF FRICTION STIR WELDING OF THERMOHYDROGEN PROCESSED TITANIUM ALLOY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 钛合金焊接的研究现状

1.3 钛合金搅拌摩擦焊技术的研究现状

1.3.1 搅拌头的研究

1.3.2 辅助装置的研究

1.3.3 微观组织和力学性能分析

1.3.4 温度场模拟的研究

1.4 本文的主要研究内容

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 试验方法

2.3.1 搅拌头参数

2.3.2 焊接参数

2.4 接头分析测试方法

2.4.1 接头性能测试

2.4.2 接头微观分析

第3章 焊具设计及试验研究

3.1 搅拌头的设计

3.1.1 材料的可行性试验研究

3.1.2 搅拌头结构设计及试验研究

3.2 辅助装置的设计

3.2.1 循环水冷系统

3.2.2 气体保护系统

3.3 钛合金搅拌摩擦焊接试验

3.3.1 未置H钛合金的试验

3.3.2 置H钛合金的试验

3.4 本章小结

第4章 接头微观组织和力学性能

4.1 焊缝横截面形貌

4.2 微观组织

4.2.1 母材微观组织

4.2.2 焊核区的电镜分析

4.2.3 接头的光镜分析

4.2.4 XRD物相分析

4.3 接头力学性能

4.3.1 接头抗拉强度

4.3.2 接头断口分析

4.3.3 硬度分析

4.4 本章小结

第5章 搅拌摩擦产热模型及温度场分析

5.1 热输入模型的建立

5.1.1 轴肩的热输入模型

5.1.2 搅拌针的热输入模型

5.2 典型位置的热循环测量

5.3 温度场模拟

5.3.1 传热方式

5.3.2 温度场的有限元模拟

5.4 模拟结果及分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢