TiAl金属间化合物电子束焊接接头组织及防裂纹工艺研究

摘要

本文对板厚2.5mm的TiAl/TiAl、TiAl/TC4电子束焊接进行了研究。TiAl金属间化合物电子束焊接性较差，焊后接头极易产生冷裂纹。目前，国内外有关裂纹产生的机理和如何有效防止裂纹产生的报道较少。为此，本文在综合分析接头组织演变规律的基础上，结合焊接热循环中热致应力的分布特征，提出了一种TiAl电子束复合控制焊接方法，最终获得了TiAl/TiAl、TiAl/TC4电子束焊宏观无裂纹接头。
　　TiAl电子束焊接头极易产生宏观冷裂纹，其原因主要包括接头组织的脆化和热致应力两个致裂因素。首先分析了接头组织对裂纹产生的影响，快速冷却抑制了α(α2)相分解，转变产物以α2相为主，这种单一的脆硬相结构显著地降低了接头塑韧性，成为接头易产生冷裂纹的组织因素。接头抗拉强度普遍不高，拉伸断裂发生在焊缝及热影响区，为脆性穿晶断裂。计算了TiAl电子束焊接接头形成第一道裂纹的冷却时间和温度，该温度定义了有利于接头组织充分转变的高温区间下限。由此可间接评价冷裂纹产生的敏感性，并作为复合控制焊接方法的主要理论基础。
　　TiAl/TC4电子束焊接接头冷裂纹仅产生在TiAl一侧。由于两种母材化学成分和热物理参数存在差别，焊缝Al原子含量相对较低，接头强度较TiAl/TiAl有所提高。根据这些特点采用偏Ti进行侧偏焊，侧偏量hs值在一定范围内增大时接头抗拉强度有所提高。计算了侧偏量与两侧母材熔化量比值之间的关系。分析了同为Ti-Al系金属间化合物的Ti3Al和TiAl电子束焊接性差别的原因。
　　电子束焊接特有的快速加热和冷却过程使接头形成较大的热致应力，这是造成接头易产生裂纹的力学因素。TiAl/TiAl沿焊缝方向均为残余拉应力，在焊道中部达到较高水平，所以冷裂纹均为垂直于焊缝分布。TiAl/TC4接头沿焊缝方向三向应力均为残余拉应力，且幅值均较高。此外，因为两种母材材料参数存在差别，板厚方向表现出较高的残余拉应力。当开裂处拉应力达到最大值590MPa时接头还处在高温塑性状态，可通过自身塑性变形释放一部分应力，因此接头冷裂纹在非最大应力作用下产生。由于室温时接头中仍有153MPa的残余拉应力，加载时叠加到外加载荷上，从而使接头在低应力下拉伸断裂。
　　根据上述研究结果，本文提出一种TiAl金属间化合物电子束无裂纹复合控制焊接方法。其步骤及作用包括：采用添加隔热垫板、焊前逐级预热和随焊热处理的方式调控焊接热循环曲线，增加接头在高温区间的停留时间以改善组织；改变待焊试件的夹持方式以减小拘束，缓解和释放热致应力。采用该方法最终成功获得了板厚2.5mm的TiAl/TiAl、TiAl/TC4电子束焊接无裂纹接头。对比了常规焊接方式和复合控制焊接方式所获接头组织在相含量、晶粒尺寸和组织类型等方面的不同，采用X射线衍射技术测定了复合控制焊接方法接头的残余应力场分布特征，从定量分析方面论证了这种方法的可行性。
　　采用电子束复合控制焊接方法除了获得平板对接无裂纹接头之外。还对Ti-43Al-9V-0.3Y、Ti-45Al-5Nb-0.3Y等不同金属间化合物、不同壁厚的管材进行了环焊缝连接，说明该方法具有工实际应用意义。

目录

TiAl金属间化合物电子束焊接

INVESTIGATION ON THE MICROSTRUCTURE OF TiAl INTERMETALLIC COMPOUND ELECTRON BEAM WELDED JOINTS AND THE CRACK CONTROL TECHNOLOGY

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 TiAl金属间化合物的特点

1.3 TiAl金属间化合物连接技术的研究现状

1.4 电子束焊接机理及数值模拟研究现状

1.5 课题主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及焊接工艺

2.3 试验设备及焊接工艺

2.4 分析测试设备及方法

第3章 TiAl电子束焊接接头组织及工艺

3.1 TiAl电子束焊接性分析

3.2 接头组织结构分析

3.3 工艺参数对接头抗拉强度的影响

3.4 接头断裂机制分析

3.5 接头形成第一道裂纹的数值分析

3.6 本章小结

第4章 TiAl/TC4电子束焊接接头组织及性能

4.1 裂纹产生的位置

4.2 接头组织及转变特征分析

4.3 接头的力学性能和断裂特征

4.4 Ti-Al系金属间化合物电子束焊接性评析

4.5 侧偏焊对接头组织及性能的影响

4.6 侧偏量与两侧母材熔化量比值的关系

4.7 本章小结

第5章 TiAl/TiAl、TiAl/TC4接头残余应力场分析

5.1 应力场数值模拟

5.2 TiAl/TiAl残余应力场模拟结果及分析

5.3 TiAl/TC4残余应力场模拟结果及分析

5.4 热致应力分析

5.5 本章小结

第6章 TiAl电子束复合控制焊接方法及应用

6.1 裂纹产生的机理分析

6.2 复合控制焊接方法及其效果分析

6.3 两种焊接方法接头组织对比分析

6.4 复合控制焊接方法接头残余应力分析

6.5 复合控制焊接方法的实际应用

6.6 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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致谢

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