钛合金压力连接时介观空洞与微观组织的耦合作用机制

There are the cavity, deformation and diffusion in the bonding surface in the press bonding process of metals and alloys, the coupling effect is the physical fundamentals and determines the servceing reliability of components. However, the mechanism between the deformation performance and the meso-cavity, deformation and diffusion in the bonding surface in the press bonding process of titanium alloys were not reported. In this proposal, the meso-cavity evolution and diffusion in the bonding surface in the press bonding process of titanium alloy will be studied in detail; the meso-cavity and diffussion models for arbitrary stress state in the bonding surface will be established based on the mechanism between the microstructure evolution and the deformation performance; the press bonding theory of titanium alloy will be improved based on the coupling effect of the mesoscope with the microscope; the novel press bonding method of titanium alloy will be developed so as to obtain the thoretical fundamentals for precision, high quality, green and high effiency manufacturing.

金属或合金压力连接件制造过程中压力连接界面存在的介观空洞演变、形变与微观跨连接界面扩散是压力连接过程中的基本伴随现象，这些现象的交互作用构成了压力连接过程的物理基础，决定着压力连接件的使用可靠性。目前，尚未阐明或开展空洞、形变与微观跨连接界面扩散对钛合金压力连接过程中塑性流动行为的作用机制。本研究项目拟对钛合金压力连接过程中的微观跨连接界面扩散和连接界面介观空洞演变开展深入研究；以微观组织演变与塑性流动行为的交互作用机制为基础，建立三向应力状态下压力连接界面介观空洞演变和微观跨连接界面扩散模型；结合微观组织演变模型，完善基于介观-微观耦合作用的钛合金压力连接理论；采用反映应力状态和微观组织作用的压力连接新机制，发展钛合金压力连接件无原始连接界面痕迹的压力连接新方法，促进面向高性能钛合金压力连接件制造工程科学的发展，为压力连接技术向精密、优质、清洁和高效的方向发展奠定理论基础。

压力连接技术是将塑性变形与扩散连接相结合的一种少无余量先进材料加工技术，具有连接界面性能好、少无机械加工等优势，是21世纪急需发展的先进制造技术,在航空、航天、海洋工程与舰船、核能、电子等领域得到了大量应用。本项目完成的主要研究内容：①研究了TC4、TC17合金高温压缩变形时的流动行为与微观组织和压力连接界面空洞演变的交互作用。②分析了TC4、GX961合金压力连接界面空洞演变机制，连接界面扩散与原始界面消失机制，三向应力作用效应。③建立了耦合晶粒尺寸和应力状态的空洞演化模型，分析了TC4合金压力连接界面空洞的演变。④研究了连接时间、压力、变形量、温度等参数对中空型TC17合金零件成形规律的影响。取得的主要研究成果：①获得了晶粒尺寸对TC4合金压力连接界面空洞演化的影响规律。随着晶粒尺寸的增大，TC4合金压力连接界面空洞由细小、椭圆形或圆形向粗大、长条状转变，空洞尺寸逐渐增大，连接界面结合率减小。②获得了晶粒尺寸对TC4合金高温塑性变形行为的影响规律。发现TC4合金压力连接界面的晶粒长大速率与晶粒尺寸有关。③阐明了TC17合金高温压缩变形时β相动态回复、连续动态再结晶演变机制及片层α相球化机制。④发现了表面粗糙度对TC4合金压力连接界面空洞尺寸、连接率和剪切强度的影响规律，连接时间对TC17合金压力连接界面空洞演变和剪切强度的影响规律。⑤以塑性流动机制、蠕变机制、界面源机制和表面源机制为基础，建立了耦合晶粒尺寸和应力状态的压力连接界面空洞演化模型。分析了晶粒尺寸、应力状态和连接参数对TC4合金压力连接界面空洞的影响规律。本项目发表SCI论文21篇，包括Acta Mater等I区论文4篇，TOP论文9篇，SCI引用51次；国际学术会议邀请报告2次；获授权中国发明专利3项；协助举办"国际金属材料及加工"国际学术会议2次。培养博士后及博士生3人，硕士生5人。本项目建立了压力连接新原理，发明了压力连接新方法，优化了压力连接参数，使得TC17合金压力连接接头的剪切强度达到887.4 MPa，为高性能轻量化构件制造奠定了重要理论基础，促进了清洁、高效先进制造技术学科的发展，具有广泛的应用价值。