TiAl渦輪與42CrMo的三體摩擦焊接

李娜

（平?jīng)雎殬I(yè)技術(shù)學院 平?jīng)?744000）

0 引言

TiAl合金具有低密度、高比剛度和比強度、優(yōu)異的抗氧化性、良好的高溫力學性能等優(yōu)點，使其成為具有廣泛應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。用它代替鑄造鎳基高溫合金制作增壓渦輪，可使渦輪轉(zhuǎn)子減重50%以上，從而提高發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)性，減小發(fā)動機的功率損失。通常渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸大多采用42CrMo中碳調(diào)質(zhì)鋼，于是TiAl渦輪與42CrMo轉(zhuǎn)軸的連接技術(shù)成為我們的研究重點。對TiAl與42CrMo結(jié)構(gòu)鋼的摩擦焊接性分析如下：

（1）TiAl與42CrMo的高溫機械性能和物理性能相差較大，導致焊接性差。

（2）TiAl中的Ti、Al元素與42CrMo中的Fe、C元素，容易生成TiFe、Fe3Al、TiC等脆性相，不利于形成高強度接頭。

（3）鑄態(tài)TiAl合金硬度大，摩擦系數(shù)低，與42CrMo摩擦焊接時不容易生熱。

綜上可知，TiAl與42CrMo的摩擦焊接性較差，多項試驗研究也證明了這一點，這就需要引入中間第三體，以改善TiAl與42CrMo的摩擦焊接性。經(jīng)過前期的多項試驗，選定GH3039作為中間第三體，以改善二者的焊接性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次焊接試驗采用的TiAl渦輪的鑄造毛坯及其剖面宏觀形貌如圖1所示，其化學成分見表1。

圖1 鑄造TiAl渦輪毛坯及其剖面形貌

表1 TiAl化學成分（at%）

試驗所用GH3039為單相奧氏體固溶強化合金，其化學成分見表2。

表2 GH3039化學成分（at%）

試驗所用結(jié)構(gòu)鋼42CrMo屬于超高強度鋼，具有高的強度和韌性，淬透性也較好，其熱處理制度是調(diào)質(zhì)，其化學成分見表3。

表3 42CrMo化學成分（wt%）

本次焊接將所用TiAl渦輪軸車削至Φ25mm，GH3039高溫合金、42CrMo試樣均為圓棒，焊前將試樣端面車削平整，并用丙酮清洗端面。

1.2 試驗設(shè)備

本研究所用的摩擦焊機為西北工業(yè)大學研制的C500型連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機，該焊機還配備有工業(yè)控制計算機閉環(huán)控制，能實現(xiàn)焊接過程參數(shù)（如焊接壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩與軸向縮短量）的實時檢測、顯示和控制。

焊后采用DDL300電子萬能試驗機對焊接接頭的抗拉強度進行測試；采用Quanta FEG400場發(fā)射掃描電子顯微鏡對焊接接頭界面組織結(jié)構(gòu)進行觀測，確定反應(yīng)界面構(gòu)成和形態(tài)。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 42CrMo結(jié)構(gòu)鋼與GH30.9 的摩擦焊接試驗

對42CrMo和GH3039進行了摩擦焊接試驗，焊接參數(shù)如表4所示：

表4 GH3039試棒與42CrMo試棒的焊接參數(shù)

42CrMo結(jié)構(gòu)鋼和GH3039焊后接頭宏觀形貌如圖2所示，由圖2可以看出42CrMo結(jié)構(gòu)鋼和GH3039摩擦焊接后，在接頭處均產(chǎn)生了飛邊，不同的是42CrMo一端在摩擦壓力作用下發(fā)生了極大的塑性變形，頂鍛之后產(chǎn)生了肥大的翻轉(zhuǎn)飛邊，從焊接界面開始延伸，后包絡(luò)于母材表面；而GH3039一側(cè)的飛邊相對較小，同時也發(fā)生了較小程度的翻轉(zhuǎn)。后續(xù)試驗中，對焊接件進行抗拉強度測試，結(jié)果均達到700MPa以上。

圖2 42CrMo結(jié)構(gòu)鋼和GH3039焊后接頭

一般來說，焊接接頭橫截面上硬度的分布可以反映焊合區(qū)域不同位置之間的組織差異，對接頭橫截面心部的硬度分布進行了測量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱處理后42CrMo/GH3039焊縫截面硬度分布（HV0.1/10）

由圖3可以看出，42CrMo母材的硬度基本達到440～450HV，而 GH3039 母材的硬度基本為 350～380HV，焊接界面處的硬度已達到540～560HV，焊接界面處的硬度顯著高于母材。42CrMo一側(cè)靠近焊接界面區(qū)域的硬度低于母材，有明顯的軟化區(qū)，寬度約為2mm。一般而言，在拉伸變形過程中，硬化區(qū)與軟化區(qū)的變形不均勻，容易在軟、硬交界處產(chǎn)生裂紋。

采用電子顯微鏡對42CrMo結(jié)構(gòu)鋼與GH3039摩擦焊接頭橫截面靠近中心位置處的形貌進行觀察，對焊縫附近成分做了線掃描分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，摩擦焊接界面焊合良好，界面結(jié)合緊密，未觀測到裂紋、氣孔等焊接缺陷。同時，可以看出，焊接界面兩側(cè)異種金屬互相嵌入、滲合、交錯，有明顯的分層現(xiàn)象。究其原因，其本質(zhì)是被焊的42CrMo與GH3039兩種材料化學成分、物理性能、力學性能等存在較大差異，在摩擦焊接過程中，焊接界面在摩擦壓力和摩擦扭矩的雙重作用下，產(chǎn)生了較大的塑形變形，并引起異種材料的機械混合。

圖4 42CrMo/GH3039摩擦焊接界面線掃描

2.2 TiAl渦輪與GH30.9 試棒的摩擦焊接試驗

通過單因素法試驗，擬定了TiAl渦輪與GH3039的摩擦焊接參數(shù)，渦輪焊后宏觀形貌如圖5所示，由圖5可以看出焊后接頭完整，對中性良好，僅在GH3039一側(cè)形成單側(cè)飛邊；TiAl一側(cè)靠近焊縫處有微小焊后裂紋，倒角過渡處有墩入痕跡，故在后續(xù)加工時應(yīng)該采用圓角過渡，避免形狀突變；此外，焊后六方根部的圓臺產(chǎn)生了較多裂紋，綜合考慮認為是焊接過程中，頂鍛壓力過大引起的，故在后續(xù)試驗中，應(yīng)該考慮在保證焊接性能的前提下降低頂鍛壓力。

圖5 TiAl渦輪和GH3039、42CoMo三體摩擦焊后宏觀形貌

3 結(jié)論

（1）42CrMo和GH3039的摩擦焊接性較好，抗拉強度達到700MPa以上；

（2）TiAl渦輪與高溫合金GH3039的摩擦焊接性較好，焊后測量其接頭抗拉強度可達到250MPa以上；

（3）TiAl渦輪、GH3039和42CrMo三體摩擦焊接具有可行性。