钛合金线性摩擦焊接头的疲劳性能研究开题报告.docx

北京航空航天大学毕业设计（论文）开题报告第1页单位代码 学 号 10071136 分 类 号 毕业设计（论文）开题报告钛合金线性摩擦焊接头的疲劳性能研究学 院 名 称 机械工程就自动化学院 专 业 名 称 材料成型与控制专业 学 生 姓 名 韩钊 指 导 教 师 张彦华 2015年3月13日北京航空航天大学毕业设计（论文）开题报告目录1.选题背景及意义11.1.钛及钛合金的性能特点及应用11.2.钛合金焊接难点及常用焊接技术11.3.线性摩擦焊技术22.国内外研究现状32.1.线性摩擦焊的试验研究32.2.线性摩擦焊的数值模拟42.3.线性摩擦焊应用现状42.4.研究中存在的问题53.研究方案53.1.研究目标53.2.研究内容54.工作计划6参考文献7北京航空航天大学毕业设计（论文）开题报告第7页1. 选题背景及意义1.1. 钛及钛合金的性能特点及应用钛是50年代以后登上世界工业舞台的新兴金属，具有储氢、超导、耐蚀、重量轻、超弹和高阻尼等特点，是新型的功能材料和重要的生物材料。从工业价值、资源寿命和发展前景看，它是继铁、铝之后，被誉为正在崛起的“第三金属”。钛合金主要用于大型民航客机、军用飞机、航天火箭、导弹、舰船、装甲火炮、电力、化工、汽车等领域。其典型产品为飞机结构件、钛制动机件、压气机叶片和基座、水翼、螺旋桨等。其民用钛制品遍及化工、石化、建筑、冶金、医疗、交通、体育、电子产品、炊具各个门类。航空工业是金属钛的主要消费部门。据国外有权威的机构估计，现在全球的金属钛年产量在5 6 万吨之间。民用航空工业的用钛量占40，工业应用占34，军事工业占16，日常消费品的用钛量占10。据统计，钛在航空航天中的应用约占钛总产量的70左右，主要用于军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座等。飞机越先进，使用钛越多，如美国F22 四代机用钛量为41%，其F119发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。钛合金研究起源于航空，航空工业的发展促进了钛合金的发展，航空用钛合金也形成了自己的体系。随着产业结构的变化和科学技术的发展，先进的焊接结构是降低材料消耗、减轻结构质量的有效途径，各种焊接技术将有着广阔的应用前景。近年来，钛合金焊接结构应用的不断扩大，快速发展，尤其是航空航天技术的进步和发展，对钛合金的性能和结构制造工艺提出了越来越高的要求。1.2. 钛合金焊接难点及常用焊接技术钛合金焊接有以下难点：(1) 气体及杂质污染对焊接性能的影响。在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。试验表时，在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250左右开始吸收氢，从400开始吸收氧，从600开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素(2) 钛及钛合金焊按时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢弹的扩散有关。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出TiH2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。(3) 钛及钛合金焊接时，气孔是经常碰到的问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。防止产生气孔的工艺措施主要有：（1）、保护氖气要纯，纯度应不低于99.99% （2）、彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物。（3）、对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。（4）、正确选择焊接工艺参数，增加深池停留时间使用权于气泡逸出，可有效地减少气孔。目前，生产中常用熔焊的方法来焊接铝合金材料。钨惰性气体（TIG）焊接，是用于钛和钛合金最常用的焊接方法。1.3. 线性摩擦焊技术近年来，很多科技工作者开始探讨钛合金焊接的新方法：线性摩擦焊技术。主要原因是在于航空领域对于整体叶盘的需求。线性摩擦焊在制作非对称几形状部件的摩擦焊接连接时很有用。一个部件在正常传递平面力作用下在直线上来回震荡，在惯性焊接情况下，这种振幅运动的耦合压力足以产生热量软化金属，使原材料表面产生火花，完成清洁，高紧固的连接。应用该技术的优势在于节约了制造近净成形部件的成本和改善了气垫片的特性，这是由于叶片在连接前能单独进行锻造和热处理。线性摩擦焊可以很大程度上减小消耗、提高利用率、减小成本。2. 国内外研究现状受制于线性摩擦焊机造价昂贵，目前国内外开展的有关线性摩擦焊的研究较少。开展线性摩擦焊研究工作的主要有英国曼彻斯特大学Preuss教授小组，希腊技术教育学院 Vairis教授小组（早年在英国布里斯托尔大学做相关研究），加拿大国家研究委员会航空制造技术中心，北京625所张田仓研究组以及西北工业大学摩擦焊课题组。其中，关于线性摩擦焊所开展的工作主要集中在试验研究和数值模拟两个方面。2.1. 线性摩擦焊的试验研究试验研究主要包括焊接接头宏观形貌分析，接头微观组织与力学性能分析以及残余应力的检测等。线性摩擦焊接头的宏观形貌：在焊接过程中，随着塑性化金属被挤出形成飞边，焊接接头会产生一定程度的轴向缩短。Vairis等人对TC4钛合金线性摩擦焊接头进行研究发现，成功焊接的接头形成了连续封闭的飞边，且沿着振动方向的飞边尺寸明显大于垂直于振动方向的飞边，飞边表面分布着明显的弧形波纹线。Dalgaard等人研究了近合金Ti-5553的飞边形貌，发现飞边表面比较粗糙，飞边不会产生皱褶。Mary等人对IN-718镍基高温合金进行线性摩擦焊试验研究发现：飞边形貌与材料有很大的相关性，IN-718接头的飞边与钛合金飞边形成一个整体不同，上下试件所产生的飞边会发生卷曲，最终导致飞边分叉。线性摩擦焊接头的微观组织与力学性能：目前，关于线性摩擦焊接头微观组织与力学性能的研究主要集中于钛合金。钛合金线性摩擦焊接头从微观组织上来说可分为焊缝区、热机影响区和母材区。TC4钛合金线性摩擦焊接头焊缝区由超细晶组织组成，与母材区相比组织明显细化，使得焊接接头的拉伸和冲击性能较母材区有了一定程度的提高。热机影响区由变形了的+组织组成。焊接工艺参数对线性摩擦焊接头的微观组织也有显著影响，在TC4钛合金线性摩擦焊过程中，随着顶锻力的增大，焊缝区、热机影响区以及高硬度区域的宽度均有一定程度的减小。线性摩擦焊接头的残余应力：残余应力的存在会影响焊接接头的应力分布，进而影响接头的应力腐蚀、疲劳和断裂韧性等。Frankel等人运用X射线衍射法和盲孔法对Ti-64和Ti-6242合金线性摩擦焊接头的残余应力进行了测量，结果显示2种合金的线性摩擦焊接头残余应力具有相同的分布规律：在焊缝中心区域为拉应力，远离焊缝的区域为压应力，且沿振动方向的残余应力比垂直于振动方向的残余应力大。李晶等人运用X射线衍射法测量了TC11+TC17异种材料线性摩擦焊接头的残余应力分布，所得残余应力分布规律与Frankel等人研究的结果一致。对焊接接头进行真空热处理，残余应力分布趋于均匀化。2.2. 线性摩擦焊的数值模拟数值模拟作为使材料科学和材料加工研究从“经验”走向“科学”从“定性”走向 “定量”的桥梁，在线性摩擦焊的研究中越来越受到重视。希腊学者Vairis等人以界面摩擦生热为依据，推导出了线性摩擦焊初始阶段单位时间内界面热输入功率，并将此结果引入专有有限元软件建立了二维数值模型，分析了线性摩擦焊初始阶段的热力耦合关系。Tao等人也基于DEFORM软件，利用热力耦合法计算了TC4钛合金线性摩擦焊温度场，对于计算过程中出现的网格畸变采用了网格重划分来缓解。李文亚等人基于ABAQUS软件，综合考虑了应变、应变率的Johnson-Cook模型为塑形本构，建立了二维模型。对于计算过程中出现的网格畸变，采用任意拉格朗日欧拉 (ALE) 自适应网格来提高模型抗畸变能力。杜随更等人采用ANSYS软件开发出了线性摩擦焊过程的三维有限元模型，模型中所有摩擦因素均为温度和压力的函数。 对异种材料的焊接过程进行模拟发现了焊接接头温度场分布的不对称性。除了焊接过程中温度场的模拟，也有一些其他模拟工作被开展，如Jiao等人利用分子动力学方法模拟了表面粗糙度及微孔的存在对焊接过程中原子扩散的影响。2.3. 线性摩擦焊应用现状线性摩擦焊虽然打破了旋转摩擦焊只可焊接圆截面及管截面焊件的限制，极大扩展了摩擦焊的应用领域。但由于线性摩擦焊机造价昂贵，线性摩擦焊技术难度大，使得线性摩擦焊在工业中的应用受到了严重的限制。目前，线性摩擦焊主要应用于航空发动机整体叶盘的制造领域，如RR公司与MTU公司从2000年开始采用线性摩擦焊加工战斗机 EF2000中发动机EJ200的1-3级风扇盘，并在近年来将线性摩擦焊成功应用于制造钛合金宽弦风扇整体叶盘，为欧洲战斗机计划（Typhoon）提供整体叶盘。线性摩擦焊的潜在应用领域还包括电力、海洋开发、核能、机械制造等行业。此外，近年来所发展的预成形技术也是线性摩擦焊比较具有前景的应用方向。将半成品采用线性摩擦焊技术连接后再进行精加工，可显著提高产品生产效率和节省金属原材料。2.4. 研究中存在的问题近年来，随着整体叶盘结构在高推重比航空发动机中的应用，线性摩擦焊技术越来越受到科研工作者的重视，但仍有一些重要课题没有开展：（1） 有关线性摩擦焊接头的系统热处理研究。线性摩擦焊接头焊缝处金属在焊接过程中经历了高温及局部大变形，残余应力很大，同时由于线性摩擦焊接头焊缝区较窄，使得残余应力梯度较大。这会使焊接接头的动态力学性能严重降低。热处理作为消除残余应力的主要方法，而有关热处理对线性摩擦焊接头微观组织与力学性能影响的研究并没有系统地开展。（2） 线性摩擦焊技术作为极具潜在应用前景的焊接方法，经过近20多年的发展之所以仍未得到广泛应用的原因是线性摩擦焊机设备昂贵。为了扩展线性摩擦焊技术的应用领域，继续开展有关线性摩擦焊设备的开发研究，降低设备造价是很有必要的。3. 研究方案3.1. 研究目标基于线性摩擦焊焊接技术，进行钛合金线性摩擦焊接头显微组织形貌研究，在不同参数条件下分析焊缝各层组织的特征，在此基础上，进行钛合金线性摩擦焊接头的强度分析。3.2. 研究内容以航空发动机整体叶盘所用材料TC4、TC11、TC17钛合金母材及LFW接头为研究对象，通过相关工艺试验，观察线性摩擦焊接头的宏观形貌及其不同区域的微观组织；通过大量的线性摩擦焊接头力学性能测试实验，研究不同工艺因素对线性摩擦焊接头组织和性能的影响及规律，为线性摩擦焊接头的质量控制和使用性能研究提供有意义的参考。主要开展以下几项工作：1.研究线性摩擦焊的工艺过程2.发动机叶片疲劳寿命分析3.整体叶盘的疲劳强度分析（1） 通过对TC4、TC17母材和LFW接头进行室温轴向疲劳性能试验，绘制室温疲劳S-N曲线，比较接头不同区域的疲劳寿命。（2） 通过标准CT试样的da/dN试验，研究TC17(+)母材、TC17（）母材和LFW接头疲劳裂纹扩展规律，为构件使用寿命的预测提供依据。4. 工作计划起始日期截止日期计划安排3.33