TC4线性摩擦焊接头氧化物的组织特征
ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１５
2008年8月
金属铸锻焊技术Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ线性摩擦焊的工艺特点决定了其焊接过程中飞边的形成、热塑金属的运动形式及焊接界面的封闭过程与普通的旋转式摩擦焊有明显不同［１－２］。这些差异使得线性摩擦焊界面更容易氧化，且清除其氧化夹杂较为困难。在钛合金的线性摩擦焊过程中焊接界面金属的氧化表现得更为突出。因此，研究钛合金线性摩擦焊接头氧化物的分布特点及组织特征，找出产生氧化物的原因，对优化ＴＣ４线性摩擦焊工艺，改善接头的组织性能是十分必要的。
1试件的尺寸、成分及焊接规范
线性摩擦焊ＴＣ４试件的尺寸为：长４５ｍｍ，
焊接截面１７ｍｍ×１０ｍｍ。试件母材为热轧态琢＋茁双相组织，如图１所示。用自制的气压式线性摩擦焊机进行焊接试验，其焊接规范参数见表１。
2氧化物的形态及分布特点
图２为焊缝中心形成的漩涡状的氧化物夹杂。
由于钛的氧化物具有较高的硬度及抗腐蚀性，故在金相照片上呈现白亮的条、块状形态。漩涡状的氧化物形貌表明，试件往复的摩擦振动过程是
收稿日期：２００８－０４－２５
基金项目:航空科学基金资助项目（２００６１１５３０１５）
作者简介：温国栋（１９８４－），男，内蒙古乌兰察布人，硕士；电话：
０２９－８８４７４８４３；Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｇｕｏｄｏｎｇ－ｗｇｄ＠１６３．ｃｏｍ
×２００
图１ＴＣ４母材组织
Ｆｉｇ．１ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＴＣ４ａｌｌｏｙ
摩擦压力／ｋＮ顶锻压力／ｋＮ摩擦时间／ｓ振动频率／Ｈｚ振幅／ｍｍ
７．８
１１．４
１５
３０
２．５
表1焊接规范参数
Tab.1Welding process parameters
图２焊缝中心旋涡状的氧化物形态
Ｆｉｇ．２Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｗｈｉｒｌｌｉｋｅｏｘｉｄｅｉｎｗｅｌｄｃｅｎｔｅｒ
×１００
TC4线性摩擦焊接头氧化物的组织特征
温国栋,马铁军,张勇,杨思乾
（西北工业大学陕西省摩擦焊重点实验室，陕西西安７１００７２）
摘要：进行了ＴＣ４线性摩擦焊焊接试验，观察了一定焊接条件下，ＴＣ４钛合金线性摩擦焊接头氧化物组织
的形态、组成、分布特点及组织特征。结果表明，其氧化物一般呈旋涡状及连续的带状分布，在其周围存在较多的未焊合的孔洞；氧化物的成分主要由ＴｉＯ２及Ａｌ２Ｏ３组成，其硬度比ＴＣ４母材高；氧化物组织由细小的孪晶状的ＴｉＯ２及弥散分布的呈点状的ＴｉＨ组成。
关键词：ＴＣ４钛合金；线性摩擦焊；氧化物；组织特征
中图分类号：ＴＧ４５３＋．９；ＴＧ１４６．２＋３
文献标识码：Ａ%
文章编号：１００１－３８１４（２００８）１５－００９８－０２
Characteristic of Oxide in Linear Friction Welded Joint of TC4Alloy
ＷＥＮＧｕｏｄｏｎｇ，ＭＡＴｉｅｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＹｏｎｇ，ＹＡＮＧＳｉｑｉａｎ
（Shaanxi Key Lab.of Friction Welding Technologies,Northwestern Polytechnical University,Xi'an ７１００７２，%China ）Abstract ：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｓｅｒｉｅｓｏｆｌｉｎｅａｒｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇｔｅｓｔｆｏｒＴＣ４ａｌｌｏｙ，ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｘｉｄｅｉｎｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔａｎｄｔｈｅｊｏｉｎｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅｏｘｉｄｅ，ａｒｏｕｎｄｗｈｉｃｈｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｕｎｗｅｌｄｅｄｈｏｌｅｓ，ｉｓｗｈｉｒｌｌｉｋｅａｎｄｓｅｒｉａｌｓｔｒｉｐ．ＴｈｅｏｘｉｄｅｗｈｉｃｈｉｓｈａｒｄｅｒｔｈａｎｍａｔｒｉｘＴＣ４ｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＴｉＯ２ａｎｄＡｌ２Ｏ３ａｎｄｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｍａｄｅｕｐｏｆｔｉｎｙｂｉｃｒｙｓｔａｌＴｉＯ２ａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｅｄｄｏｔｏｆＴｉＨ．．
Key words ：ＴＣ４ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ；ｌｉｎｅａｒｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇ；ｏｘｉｄｅ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
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《热加工工艺》２００８年第３７卷第１５期
金属铸锻焊技术
Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ上半月出版
不平稳的，存在着三维方向的抖动现象。产生这种现象的主要原因是：①线性摩擦焊机的刚性不足；②振动体的运动间隙过大；③摩擦界面的温度分布不均匀。
试件在线性摩擦过程中沿三维方向的颤动过程不仅破坏了焊接界面的封闭性，造成界面金属的氧化，而且使氧化物挤出焊接界面更加困难。
当焊接界面的温度较低时，氧化物及其邻近金属的变形将更加困难，氧化物便以连续的带状形态残留在焊接界面上（图３），从而使焊接接头的结合强度明显降低。
在焊缝的端部，由于界面的氧化更为严重，温度更低，不仅使焊接界面产生明显的未焊合，而且焊接界面两侧的氧化物出现了大量的裂纹（图４）
。钛的氧化物熔点高达１８５８℃［３］，且硬度较高，故存在在焊缝中的钛氧化物就会影响往复摩擦中热塑金属的变形运动，从而使流线形态变得更为复杂。
3氧化物的组织特征
对图３中的氧化物进行电镜观察及微区成分
分析，结果如图５及表２所示。
从表２中可看出，ＴＣ４焊缝的氧化物主要为ＴｉＯ２，并有少量的Ａｌ２Ｏ３。
从图５可看出，氧化物组织主要由白色基体上分布的细小的孪晶组织及弥散的点状物组成。考虑到ＴｉＯ２均为正方晶系［３］，且大多具有孪生晶体的特征，故细小的孪晶组织应为ＴｉＯ２。
氢在茁钛中的溶解度大于在琢钛中的溶解度，在３２５℃时发生共析转变：
茁圳琢酌。在３２５℃以下，氢在琢钛中的溶解度急骤下降。据测定，在常温时，氢在琢钛中的溶解度仅为０．００００９％，共析转变后析出酌相，该相为钛的氢化物（ＴｉＨ）。用电子显微镜观察，发现钛的氢化物以细片状或针状析出［４］。因此，弥散分布的点状物应为ＴｉＨ。
由于氮在钛中的最大固溶度为７％左右［４］，因此氮化物的数量不多。
母材及焊缝氧化物的显微硬度如表３所示，可见焊缝氧化物的硬度明显高于母材硬度。
较硬的钛氧化物具有与母材完全不同的点阵结构，明显影响了界面金属的焊合。从图５可以清楚看到，在氧化物周围存在的许多孔洞，而这种未熔合的孔洞几乎在每块氧化物周围均可发现。
4结论
（１）ＴＣ４钛合金线性摩擦焊接头的氧化物一
般呈旋涡状及连续的带状分布，在其周围存在较多的未焊合的孔洞。
（２）氧化物的成分主要由ＴｉＯ２及Ａｌ２Ｏ３组成，其硬度比ＴＣ４母材高。
×１００
图３焊接接头的带状氧化物形态
Ｆｉｇ．３Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓｔｒｉｐｏｘｉｄｅｉｎｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔ
图４试件端部的未焊合及氧化物
Ｆｉｇ．４Ｕｎｗｅｌｄｅｄａｎｄｏｘｉｄｅｉｎｔｈｅｅｎｄ－ｊｏｉｎｔ
×１００
图５氧化物微观组织
Ｆｉｇ．５Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｏｘｉｄｅ１０滋ｍ
氧化物及元素
ＴｉＯ２Ａｌ２Ｏ３Ｖ含量
９６．２２９５
２．０７０６
１．６９９９
表2氧化物的微区成分（质量分数，％）Tab.2Component of the oxide （wt ％）
焊缝氧化物
４７３４９９３３４母材
３０７
３０８
３１４
表3母材及焊缝氧化物的显微硬度（HV ）Tab.3Microhardness （HV ）of the parent material
and the oxide in weld
（下转第１０２页）
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2008年8月金属铸锻焊技术Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
（下转第９９页）（３）氧化物组织由细小的孪晶状的ＴｉＯ２及弥散分布的呈点状的ＴｉＨ组成。
参考文献：
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为柱状晶生长前沿过冷度，C０为合金成分。由此可见，降低固-液界面前沿液相的温度梯度，增加非均质形核率，可以促使柱状晶向细小的等轴晶转变，细化焊缝组织。普通脉冲ＭＩＧ焊时，由于脉冲的峰值电流不变，且脉冲频率很高，因此电弧压力变化很小，熔池表面液体振动的振幅也很小，熔池的搅拌作用很弱。而加入电磁搅拌后，焊接熔池的熔化金属作复杂的循环运动和涡旋运动，这就导致了对熔化金属的搅拌，一方面使熔合区一些未熔的粒子（Ａｌ３Ｚｒ和Ａｌ３Ｔｉ等）进入焊缝，成为非均质形核核心，同时使液体金属按照一定的频率在熔池往返运动，使成长着的晶粒受到冲刷、剪切而破碎，不仅阻碍晶粒长大，破碎的晶粒也将变成新晶粒形核核心；另一方面电磁搅拌使合金元素在熔池中分布均匀，尤其是减少了Ｔｉ、Ｚｒ等孕育剂的偏析，促使Ａｌ３Ｚｒ和Ａｌ３Ｔｉ等形核核心弥散分布，促进非均质形核，因此电磁搅拌增加了焊缝非均质形核率。另外，在电磁搅拌作用下，溶池温度变得均衡，降低了固-液界面前沿液相温度梯度，增加了非均质形核率，促使柱状晶转变为等轴晶，细化了焊缝组织。复合脉冲ＭＩＧ焊时，由于叠加了一个低频的协调脉冲，使脉冲的峰值电流按照低频脉冲的频率不断发生变化，相应地电弧压力也随之发生很大的变化。当峰值电流高时，电弧压力大，熔池表面的液体呈凹状；当峰值电流低时，电弧压力小，熔池表面的液体呈凸状，从而导致熔池表面液体的上、下振动，对熔池有一定的搅拌作用，因此对焊缝组织有一定的细化效果。根据Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ公式，晶粒越细小，焊缝强度越高，塑性越好。普通脉冲ＭＩＧ焊焊缝组织粗大，接头强度和塑性较低。在复合脉冲作用下，焊缝组织有所细化，提高了接头性能。电磁搅拌对焊缝组织的细化效果最为显著，因此接头强度和塑性最好。3结论
（１）普通脉冲ＭＩＧ焊焊缝几乎由粗大、方向性很强的柱状晶组成，电磁搅拌、复合脉冲均能细化焊缝组织，其中电磁搅拌细化效果最好。
（２）电磁搅拌脉冲ＭＩＧ焊通过降低固液界面前沿液相最大温度梯度、增加非均质形核率，促使柱状晶转变为细小的等轴晶，细化焊缝微观组织。
（３）普通脉冲ＭＩＧ焊接头强度系数仅为６３％。而在电磁搅拌作用下，显著提高了接头性能，接头强度系数高达７０％。
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ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１５