单晶/细晶高温合金线性摩擦焊接基础研究

以叶片和轮盘分别采用单晶高温合金和细晶高温合金的涡轮整体叶盘的线性摩擦焊接制造为应用背景，探讨单晶/细晶高温合金线性摩擦焊接性，研究接头宏观与微观性能分布与变化规律，确定焊接接头综合性能的关键薄弱环节。通过焊接参数优化、焊后热处理和可控局部超声冲击处理等，获得单晶-细晶连续过渡的接头组织和性能，提高线性摩擦焊接头的疲劳性能，为最终实现单晶/细晶高温合金涡轮整体叶盘线性摩擦焊接制造提供性能数据和理论依据。进一步通过对单晶/细晶高温合金在线性摩擦焊接过程中焊合区及其近缝区发生的剧烈剪切变形、动态再结晶、摩擦界面消失与演化等力学冶金行为进行研究，建立单晶与细晶高温合金各自的组织演化规律和线性摩擦焊接连接机理，研究高速、大变形、高温、局部、往复、剪切这一特殊的塑性变形条件下两种晶粒结构高温合金，特别是单晶高温合金的塑性变形规律，形成具有普遍意义的塑性变形理论，丰富金属塑性变形理论体系。

以航空发动机整体叶盘的线性摩擦焊接制造为应用背景，探讨单晶/细晶高温合金、TC11/TC17钛合金异种材料线性摩擦焊接性，研究接头宏观与微观性能分布与变化规律，确定焊接接头综合性能的关键薄弱环节，为最终实现整体叶盘线性摩擦焊接制造提供性能数据和理论依据。进一步通过对线性摩擦焊接过程中焊合区及其近缝区发生的剧烈剪切变形、动态再结晶、摩擦界面等力学冶金行为进行研究，建立线性摩擦焊接连接机理，丰富金属塑性变形理论体系。. 为了顺利线性摩擦擦焊接工艺研究，开展了大量线性摩擦擦焊机控制系统的研究工作。开发全数字伺服放大器代替了传统模拟伺服放大器，使控制性能有了较大提高。分析了焊机振动参数对滑台系统位移响应的影响，找到了机床系统的共振频率。针对液压振动伺服系统存在的大时滞问题，提出了改进型Smith预估补偿方法。利用AMESim软件，建立了线性焊机电液伺服振动系统的仿真模型；利用Matlab/Simulink建立了优化后的双闭环控制仿真模型，研究了系统参数对系统动态响应特性的影响规律。提出采用双先导阀并联结构提高液压伺服振动系统动态特性的具体实施方法。控制系统时间间隔0.5ms，焊件长度控制精度为±0.2mm。. 针对单晶高温合金与粉末高温合金线性摩擦焊接，分析了接头组织与显微硬度，测量了焊接过程中的界面温度，建立了摩擦界面摩擦系数与摩擦界面温度和轴向压力之间的经验公式。指出焊合区两侧材料均形成了动态再结晶晶粒；连接界面位于两侧动态再结晶晶粒之间，连接界面两侧合金元素发生了扩散；两侧动态再结晶晶粒均有向对方弓形凸入长大的趋势，通过形成共同晶粒和共同晶界，实现两种异质材料的连接。连接界面处的成分过渡主要发生在共有晶粒内，线性摩擦焊接过程中发生了摩擦面转移，摩擦面转移会诱发氧化与裂纹。. 针对TC11和TC17异种钛合金线性摩擦焊接，优化了线性摩擦焊接工艺参数，系统测量了硬度分布。分析表明，焊合区两侧材料均发生了动态再结晶，界面处也有共有晶粒和共有晶界。焊接界面实际由3个微观界面组成。TC11与TC17线性摩擦焊接接头的塑性很差，弯曲角度只有9~23°，弯曲断裂易沿TC17一侧热力影响区内动态再结晶组织与粗大晶粒之间的α/β相界面β相内扩展。焊接件经过超声冲击处理后弯曲性能反而变差；高温热处理后接头塑形有明显改善，弯曲角度可以达到33~36°.