TA31钛合金热变形连接界面冶金反应机理研究

摘要

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好、焊接性能优良等优点，其连接技术是工程应用中的关键技术之一。由于钛易亲氮、氢、氧，常规焊条电弧焊、气焊、CO2气体保护焊难以用于TA31钛合金焊接。目前运用最广泛的工艺方法有钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊，但这些方法均有不足。本文采用的是一种新型的材料连接方法，该方法可以在锻造过程中实现材料的连接，是一种很好的固态连接方法，能实现接头良好的冶金结合，界面能有效连接。接头的抗拉强度甚至能超过母材的强度，比扩散连接更方便、高效。 本文采用热变形连接方法，对TA31钛合金进行热压缩连接，通过改变热变形连接温度、变形量工艺参数，观察不同参数下热变形连接界面显微组织、形貌以及界面孔洞演化过程，使用拉伸试验机进行热变形连接接头力学性能分析。 本文首先讨论热变形连接温度、变形量对界面显微组织的影响规律，通过对界面显微组织的观察，确定了热变形连接的工艺参数，分析了热变形连接工艺参数对界面晶粒长大、再结晶、晶界迁移和孔洞愈合的影响规律，并且对热变形连接的对接棒进行了拉伸试验，对比相同实验参数母材的拉伸性能，确定了热变形连接最佳工艺参数，最佳工艺参数下的界面已经实现了完全连接，界面孔洞完全消失，界面的组织与性能与基体没有差别，当变形温度为1050℃，变形量为35%时，力学性能最佳，抗拉强度达到1010MPa，屈服强度到达879MPa。 对界面愈合过程进行热力学和动力学分析，热变形连接过程中孔洞演化在以下三个阶段进行，本文单独讨论每种机制对孔洞闭合的影响，得出演化规律：第一阶段，界面接触前期，由于塑性流动，凸起的表面发生变形并且在热变形连接界面上形成孤立的椭球形孔洞；第二阶段，在表面源扩散机制作用下，椭球形孔洞逐渐球化；第三阶段，在界面源扩散机制的作用下，孔洞发生演化，最终闭合。 实验室阶段完成后进行了工程试验，采用热变形连接方法成功连接、锻造、轧制出100kg级TA31钛合金环件，通过对环件解剖，分析表明：运用实验室得到的最佳变形连接参数制备的环件组织、性能均匀，满足标准要求，表明热变形连接方法，能够实现TA31钛合金的有效连接。工程试验过程中表面处理的比实验室粗糙，表明该技术在恶劣的现场环境中也能高效生产，该方法能普遍适用，与普通的连接方法相比，该方法更加高效，材料的利用率也更高。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2钛合金的焊接性及焊接方法

1.2.1钛合金的焊接性

1.2.2钛合金的焊接方法及研究进展

1.3钛合金扩散连接研究现状

1.4界面孔洞愈合机理研究

1.5主要研究内容

第2章 试验材料、方法及设备

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3试验方法

2.3.1 试样表面处理

2.3.2 工艺参数和曲线

2.3.3 热变形连接

2.4检测方法

2.4.1 TA31钛合金热变形连接宏观及微观组织测试

2.4.2 TA31钛合金热变形连接接头力学性能测试

第3章 TA31热变形连接接头微观组织与力学性能分析

3.1 TA31钛合金热变形连接工艺参数对界面组织的影响

3.1.1变形温度对界面愈合的影响

3.1.2变形量对界面愈合的影响

3.2 TA31钛合金热变形连接孔洞演化规律

3.2.1变形温度对界面孔洞愈合的影响

3.2.2变形量对界面孔洞愈合的影响

3.3 TA31钛合金热变形连接界面迁移

3.3.1金属表面特性

3.3.2金属中的界面迁移

3.3.3热变形连接界面特点

3.3.4热变形连接晶界迁移

3.4 TA31钛合金热变形连接工艺参数对接头力学性能的影响

3.4.1变形温度对接头力学性能的影响

3.4.2变形量对接头力学性能的影响

3.4.3断口分析

3.5本章小结

第4章 TA31热变形连接界面愈合热力学与动力学分析

4.1界面孔洞愈合的扩散热力学分析

4.1.1界面局部弓出与接触

4.1.2孔洞形成及球化

4.1.3孔洞缩小与及面消失

4.2 孔洞愈合演化机理

4.2.1 局部塑性流动动力学条件

4.2.2 表面源扩散动力学条件

4.2.3界面源扩散动力学条件

4.3 本章小结

第5章 TA31中试试验

5.1 TA31的锻造特性

5.1.1 TA31钛合金应力-应变曲线

5.2 TA31中试试验

5.3 环件组织及性能评价

5.4本章小结

结论

参考文献

硕士期间发表的学术论文

致谢