舰船钛合金搅拌摩擦焊用搅拌头材料的组织设计与高温摩擦磨损机理研究

Focusing on the development and application of Co-Al-W-Ni-Cr base rotating tool material used for the friction stir welding of naval titanium alloys, this research first study the effect of content and interaction of alloying elements and heat treatment process on the phase composition, phase fraction, phase morphlogy, phase distribution, phase stability, in order to provide theoretical guide on the microstructural design of Co-Al-W-Ni-Cr base alloys. Then based on some selected naval titanium alloys, study friction and wear mass loss and friction coefficient of designed alloy microstructures, to accquire the formation state of surface morphology, microstructure and composition of wear debris.Finally determine the optimal composition range and microstructure characteristics, and clarify the high-temperature friction and wear mechanism of such kind of Co-Al-W-Ni-Cr base alloys, which can provide theorical base and technical guide of new ratating tool materials for engineering applications of friction stir welding of naval titanium alloys.

本项目以舰船钛合金搅拌摩擦焊用Co-Al-W-Ni-Cr基搅拌头材料的开发与应用为主线，首先研究不同合金元素含量及其相互作用、热处理制度对Co-Al-W-Ni-Cr基合金组织中相组成、相分数、相形貌、相分布、相稳定性的影响规律，为Co-Al-W-Ni-Cr合金的组织设计提供理论指导。然后针对设计的Co-Al-W-Ni-Cr基合金成分，分别在室温条件及搅拌摩擦焊工艺条件下，考察合金组织相对于舰船钛合金配磨材料的磨损失重与摩擦系数，并揭示配磨后合金表面中磨斑形貌、磨屑形貌及产物的形成规律。最后确定Co-Al-W-Ni-Cr基合金的最佳成分范围与组织特征，阐明该类合金的高温摩擦磨损机理，为新型搅拌头材料在舰船钛合金搅拌摩擦焊的工程化应用奠定理论基础和工艺指导。

本项目针对国内高熔点金属搅拌摩擦焊用搅拌头材料长期依赖进口的不利局面，在前期研究基础上，开展了Co-Al-W-Ni-Cr-Ta-Ti-V-C-B合金组织设计及耐摩擦磨损机制研究。. 通过实验测定与热力学计算相结合的方法，利用CALPHAD方法实现了Co-Al-W-Ni-Cr-Ta-Ti-V-C-B合金设计系统的建立，为高熔点金属搅拌摩擦焊接用搅拌头材料的设计提供了重要的理论指导，该设计系统也可以用于其他用途钴基合金的高效设计。. 确立了Co基合金为基体相、Co3(Al, W)金属间化合物为第二相（高温强化相），以及mu相为第三相（高温抗耐磨相）的可调控性设计与组织控制方法，制备了具有自主知识产权Co-Al-W-Ni-Cr-Ta-C-B合金（国防专利申请号：201518005361.0）及其搅拌头，打破了国内高熔点金属搅拌摩擦焊用搅拌头材料长期受制于国外公司的局面。. 阐明了Co-Al-W-Ni-Cr-Ta-C-B合金在室温和搅拌摩擦焊接条件下摩擦磨损机理：Co-Al-W-Ni-Cr-Ta-C-B合金中mu相是合金耐磨性能优异的主要因素。在相同条件下，当合金中mu相体积分数相同时， Co3(Al,W)相分数越高，平均尺寸越小，显微硬度越高，耐摩擦磨损性能也越好。并且合金中Co3(Al,W)相球形颗粒的比例越多，搅拌头的耐摩擦磨损性能越好。. 利用本项目研制的搅拌头材料，在实验室范围了实现了5mm厚钛合金板材、3mm厚高强钢板材、10mm厚B10合金板材、铝合金/船体钢的搅拌摩擦焊，以及大型铝合金结构件以及铜合金管线的搅拌摩擦焊工程化焊接，为后续该搅拌头材料的工程化批量应用奠定了技术基础。