高温合金线性摩擦焊界面摩擦行为与接头挤出机制研究

Joining of superalloys by linear friction welding (LFW) has potential applications in aerospace and aviation industries. However, there is a crucial problem with the superalloy joints because of the poor weldability by LFW resulting from the bad formability of plasticized materials at the interface. Not like the previous study just focusing on the relationship between process parameters and joint mechanical property, this proposal is devoted to the LFW of nickel-based superalloy GH4169 and try to establish a thermomechanical coupling model which takes into account the specific friction behavior at the joint interface and the deformation behavior of GH4169 at elevated temperatures. The extrusion of flash will be the important phenomenon reflecting the joint quality and be used as validation of simulation results. Combined with the analysis of microstructure characteristics of weld zone, the extrusion behavior of interfacial hot materials and the heat generation mechanism will be revealed. And then the reasons for flash curling and flash root defect will be clarified. Finally, to compensate the inadequate heat input at the interface, the electric resistance heat will be introduced to improve the heating source. The matching relationship between electric resistance heating parameters and welding parameters will be examined. The findings of this study may cause high-quality joints of GH4169 superalloy by LFW and will promote the theoretical development of LFW and support the practical applications in aeroengines.

高温合金线性摩擦焊接在航空航天等领域具有重要的应用前景，但高温合金线性摩擦焊接头飞边成形性差，严重影响其接头质量，成为制约该技术应用的重要难题。本项目以GH4169高温合金为研究对象，突破以往研究只关注工艺与性能的关系，以线性摩擦焊接过程的摩擦行为与飞边挤出为切入点，建立材料在摩擦焊接条件下的摩擦模型，以及材料高温变形本构方程，然后耦合摩擦模型与本构方程，建立线性摩擦焊接过程热力耦合数值计算模型，并进行实验验证。结合接头变形区的组织特点，揭示线性摩擦焊接头热挤压变形特征与界面产热规律。研究飞边挤出行为，明确卷边和根部未焊合等缺陷的本质原因。最后，针对界面热输入不足，引入电阻热辅助加热，改善接头热源，确定加热参数与焊接参数的匹配关系，改善接头局部塑性流动性，实现高温合金线性摩擦焊接头的高质量连接。该项目的实施将有力推动高温合金线性摩擦焊的理论发展及在发动机领域等的应用。

项目的背景：高温合金线性摩擦焊接在航空航天等领域具有重要的应用前景，但高温合金线性摩擦焊接头飞边成形性差，严重影响其接头质量，成为制约该技术应用的重要难题。.主要研究内容：(1) GH4169高温合金线性摩擦焊接头摩擦模型；(2) 高温合金线性摩擦焊接头挤出行为；(3) 电阻热辅助加热改善接头热源及局部塑性流动性。.重要结果：(1) 建立了可靠的线性摩擦焊接热力耦合数值模型，为GH4169高温合金线性摩擦焊接过程中界面摩擦行为、材料变形行为的研究，提供了良好的研究手段。(2) 分析了GH4169线性摩擦焊接头微观组织演变规律并通过接头宏观形貌、轴向缩短量和温度场分布等实验结果验证了模拟结果的可靠性。(3) 分析了焊前预热及焊后热处理对接头组织与性能的影响，为高温合金线性摩擦焊的工艺研究提供了新途径。.关键数据：(1) 模拟结果表明，焊接时间为0-0.75s时，界面剪切占主导作用；0.75-1.65s时，剪切作用减弱而挤压力作用增强；1.65-1.75s内，挤压力占主导；1.75s后，焊接进入稳态阶段。(2) 接头缩短量模拟值与实验值误差大约为4.6%。界面不同区域组织及界面均能明显区分，飞边和接头中心部位的晶粒得到了显著细化。(3) 850℃预热规范下接头抗拉强度普遍高于未经预热的接头，平均拉伸强度提升了100MPa。双重时效处理后预热接头微观组织没有明显变化，但试件显微硬度值高于母材，与未经热处理的接头抗拉强度相比，性能提升30%。.科学意义：突破以往研究大多关注工艺与性能的关系，以线性摩擦焊接过程的摩擦行为与飞边挤出为切入点，建立材料摩擦模型及变形本构，构建线性摩擦焊接过程热力耦合模型并验证，结合接头变形区组织特点，揭示接头变形特征与界面产热规律；研究飞边挤出行为；引入电阻热辅助加热接头，改善接头局部塑性流动，并对焊后接头进行热处理，实现高温合金线性摩擦焊接头的高质量连接。该项目的实施将有力推动高温合金线性摩擦焊的理论发展及在发动机领域等的应用。