基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法

1.本发明属于固相焊接方法技术领域，具体涉及基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法。


背景技术：

2.钛合金由于强度高和抗腐蚀性能优异等特点成为飞机发动机、大型框梁和起落架等重要承力部位结构件制备的优选材料。线性摩擦焊(lfw)作为一种固相焊接技术，具有焊接效率高、绿色环保和自清理功能等优点，在压力作用下形成的锻造组织接头可获得与整体机加强度相当的钛合金构件，已成为钛合金整体成形的重要技术。大量研究表明，钛合金lfw接头焊缝区等轴组织促进裂纹萌生而热力影响区流线状组织加速裂纹扩展，导致接头部位发生低韧性解理断裂，制约lfw技术的广泛应用。传统整体热处理方法对接头组织改善有限，且具有热处理时间长、能源消耗大且影响母材组织等缺点。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，通过调控tc11和tc17钛合金接头组织来提高接头韧性。
4.本发明所采用的技术方案是，基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
5.步骤1、对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
6.步骤2、利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；
7.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
8.步骤4、接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
9.步骤5、电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
12.步骤2.1、将接头板状试样的表面用砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
13.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用。
14.板状试样的尺寸为60
×
20
×
3mm3，砂纸采用240#～1000#。
15.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm。
16.步骤4中脉冲电压为50v～70v，脉冲频率为150hz～250hz，热处理时间为40s～70s。
17.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的。
18.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，最高温度控制在500℃～700℃。
19.本发明的有益效果是：本发明提供了基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，在不影响母材组织性能的前提下，能快速使tc11/tc17钛合金lfw接头组织发生显著改善，在保证接头良好强度的同时大幅提高接头韧性。
附图说明
20.图1是本发明基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法中电脉冲热处理实验过程示意图；
21.图2是本发明基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法中接头热处理前后微观组织图；
22.图3是本发明基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法中热处理后接头冲击断口形貌图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.本发明基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
25.步骤1、对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
26.步骤2、利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；
27.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
28.步骤2.1、将尺寸为60
×
20
×
3mm3的接头板状试样的表面用240#～1000#的砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
29.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用；
30.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
31.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm，即样品通过脉冲电流的有效长度固定为50mm；
32.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的；
33.步骤4、接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
34.步骤4中脉冲电压为50v～70v，脉冲频率为150hz～250hz，热处理时间为40s～70s；
35.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，最高温度控制在500℃～700℃；
36.步骤5、电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
37.实施例1
38.基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
39.步骤1：对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
40.步骤2：利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试
样表面进行预处理；
41.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
42.步骤2.1、将尺寸为60
×
20
×
3mm3的接头板状试样的表面用240#～1000#的砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
43.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用；
44.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
45.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm；
46.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的；
47.步骤4：接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
48.步骤4中脉冲电压为50v，脉冲频率为200hz，热处理时间为50s；
49.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，试样中心区域最高温度为600℃；
50.步骤5：电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
51.实施例2
52.基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
53.步骤1：对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
54.步骤2：利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；
55.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
56.步骤2.1、将尺寸为60
×
20
×
3mm3的接头板状试样的表面用240#～1000#的砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
57.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用；
58.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
59.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm；
60.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的；
61.步骤4：接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
62.步骤4中脉冲电压为60v，脉冲频率为250hz，热处理时间为60s；
63.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，试样中心区域最高温度为615℃；
64.步骤5：电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
65.实施例3
66.基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
67.步骤1：对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
68.步骤2：利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；
69.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
70.步骤2.1、将尺寸为60
×
20
×
3mm3的接头板状试样的表面用240#～1000#的砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
71.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用；
72.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
73.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm；
74.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的；
75.步骤4：接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
76.步骤4中脉冲电压为65v，脉冲频率为230hz，热处理时间为65s；
77.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，试样中心区域最高温度为625℃；
78.步骤5：电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
79.实施例4
80.基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
81.步骤1：对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
82.步骤2：利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；
83.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
84.步骤2.1、将尺寸为60
×
20
×
3mm3的接头板状试样的表面用240#～1000#的砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
85.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用；
86.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
87.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm；
88.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的；
89.步骤4：接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
90.步骤4中脉冲电压为70v，脉冲频率为250hz，热处理时间为70s；
91.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，试样中心区域最高温度为680℃；
92.步骤5：电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
93.实施例5
94.基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：
95.步骤1：对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；
96.步骤2：利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；
97.步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：
98.步骤2.1、将尺寸为60
×
20
×
3mm3的接头板状试样的表面用240#～1000#的砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；
99.步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用；
100.步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；
101.步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm；
102.步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的；
103.步骤4：接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；
104.步骤4中脉冲电压为60v，脉冲频率为150hz，热处理时间为50s；
105.步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，试样中心区域最高温度为635℃；
106.步骤5：电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。
107.图1为实施例4得到的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法的电脉冲热处理实验过程示意图。通过thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备对tc11/tc17 lfw接头进行电脉冲热处理，将试样与脉冲电源正负极相连，正负极采用尺寸为60
×
20
×
3mm3的铜板，将数字存储示波器连接到脉冲电源，通过改变脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间等参量实现对接头电脉冲热处理调控空冷获得最终样品。将型号为tes1310的k型接触式表面测温仪与测量样品表面紧密接触，实时测量样品不同位置温度变化。
108.图2为实施例4得到的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法中接头热处理前后焊缝区微观组织图，由图2(a)可见焊后接头tc11侧与tc17侧焊接界面清晰可见，两侧组织差异明显，tc11侧焊缝区由大量长条状初生α相、少量细小针状次生α
′
相和残留的β相组成，如图2(b)所示；tc17侧焊缝区长条状和等轴状初生α相分布于β基体，在晶内均匀弥散分布大量细小马氏体α
′
相，如图2(c)所示。经过电脉冲热处理后，两侧焊缝区组织差异减小，如图2(d)所示；tc11侧焊缝区长条状初生α相转变为细小针状，如图2(e)所示；tc17侧焊缝区初生α相转变为细小次生α
′
相，相互交错分布于β基体，如图2(f)所示。
109.图3为实施例4得到的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法中电脉冲热处理后接头断裂位置及断口形貌图，由图3(a)可见接头从焊缝区起裂，裂纹呈波浪状曲折路径扩展；从图3(b)可见该断口由三部分组织，裂纹起裂区较宽，呈不均匀分布，以等轴韧窝为主，如图3(c)所示；裂纹扩展区表面非常粗糙，可见河流状花样痕迹，图3(d)可见大量韧窝和穿晶断裂特征；剪切唇区两端宽中间狭窄，存在大量变形韧窝，如图3(e)所示。
110.经过以上步骤处理后得到的tc11与tc17钛合金线性摩擦焊接头，在室温下，tc11母材冲击韧性≥30j/cm2，tc17母材冲击韧性≥35j/cm2，焊接接头冲击韧性≥30j/cm2，而焊后未热处理接头冲击韧性仅为9.3
±
0.1j/cm2，由此可见经过本发明处理后接头微观组织得到有效改善，韧性得到显著提高。

技术特征：
1.基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、对tc11与tc17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；步骤2、利用电火花线切割所述步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；步骤3、将所述步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；步骤4、接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；步骤5、电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。2.根据权利要求1所述的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，所述步骤2中预处理具体按照以下步骤实施：步骤2.1、将接头板状试样的表面用砂纸进行打磨，后一道次的磨痕覆盖前一道次的砂纸磨痕，直至打磨平滑光亮；步骤2.2、用无水乙醇润湿脱脂棉擦拭打磨后的试样，并干燥备用。3.根据权利要求2所述的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，所述板状试样的尺寸为60
×
20
×
3mm3，所述砂纸采用240#～1000#。4.根据权利要求1所述的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，所述步骤3中的脉冲电源正负极均采用铜板，将试样夹在与脉冲电源相连的两个铜电极之间，两个铜电极之间的距离为50mm。5.根据权利要求1所述的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，所述步骤5中脉冲电压为50v～70v，脉冲频率为150hz～250hz，热处理时间为40s～70s。6.根据权利要求1所述的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，所述步骤3是在thdm-ii 5000a型电致塑性脉冲设备上进行的。7.根据权利要求1所述的基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，其特征在于，所述步骤4采用型号为tes1310的k型接触式测温仪测量样品温度，测温过程佩戴绝缘手套，最高温度控制在500℃～700℃。

技术总结
本发明公开了基于电脉冲调控钛合金摩擦焊接头组织的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、对TC11与TC17钛合金进行线性摩擦焊，得到原始焊接接头；步骤2、利用电火花线切割步骤1中原始焊接接头制备接头板状试样，并对板状试样表面进行预处理；步骤3、将步骤2中处理后试样的两端与脉冲电源正负极连接，并置于实验台上；步骤4、接通脉冲电源，调节脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间对试样进行电脉冲热处理，并测量试样中心区域的实时温度；步骤5、电脉冲热处理结束后，切断脉冲电源，空冷后获得最终样品。本发明在不影响母材组织性能的前提下，能快速使TC11/TC17钛合金LFW接头组织发生显著改善，在保证接头良好强度的同时大幅提高接头韧性。保证接头良好强度的同时大幅提高接头韧性。保证接头良好强度的同时大幅提高接头韧性。


技术研发人员：赵鹏康 胡映鑫 张敏 赵亦凡 潘必达 张垚君 陈皓彤 李言
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/12