题目：钛合金摩擦焊异种焊接接头成型与断裂机理研究

整体叶盘是发展高推重比航空发动机的关键部件，线性摩擦焊是制造整体叶盘最先进的方法之一。由于叶盘与叶片工况不同，所需性能要求不同，整体叶盘采用单一材料或组织，必然引起某位置性能富余，而另一位置性能不足，无法满足高性能发动机的要求。采用线性摩擦焊接方法，将异种合金或异种组织的叶盘与叶片焊在一起，制成双性能整体叶盘，可发挥两种合金/组织各自的优势进一步提高发动机的性能。因此研究异种合金/组织线性摩擦焊焊接接头的成型机理、组织转变特征以及断裂机理对发展航空发动机整体叶盘具有重要的理论意义。 本文首先利用有限元软件ABAQUS建立Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(Ti17)钛合金线性摩擦焊模型。借助该模型研究线性摩擦焊焊接工艺中的主要参数：摩擦压力P、频率f、振幅A对Ti17合金线性摩擦焊焊接接头温度场和缩短量的影响，为组织演变和性能分析提供理论基础。 采用线性摩擦焊工艺制得Ti-6Al-4V (Ti64) 和 Ti17的异种钛合金焊接接头Ti64/Ti17。利用光镜 (OM)、扫描电镜 (SEM) 和XRD等方法分析了焊接接头Ti64/Ti17的显微组织、成分以及相变化，并测试了其显微硬度、单调载荷(拉伸、冲击、断裂韧性)和循环载荷(疲劳裂纹扩展、高周疲劳)作用下的断裂性能，综合研究了异种钛合金焊接接头Ti64/Ti17组织对断裂性能的影响。 研究发现，由于母材合金成分不同，异种合金焊接接头Ti64/Ti17发生成分起伏引起的性能问题，所以本文进一步采用同一合金焊接。但是为了满足双性能整体叶盘的需要，对Ti17合金进行α+β和β锻造，分别得到疲劳和拉伸性能较好的双态组织和抗疲劳裂纹扩展较好的片层组织。然后采用线性摩擦焊工艺对两种组织的母材Ti17进行焊接，得到异种组织的Ti17/Ti17双性能焊接接头。采用OM、SEM、XRD等方法分析了该焊接接头组织及相演变规律，结合透射电镜 (TEM) 研究了该接头的成型机理。同时对比研究了异种组织焊接接头Ti17/Ti17显微硬度、单调载荷(拉伸、断裂韧性)和循环载荷(疲劳裂纹扩展)作用下的断裂性能，分析了异种组织焊接接头的组织对断裂性能的影响。 钛合金在线性摩擦焊过程中，焊接接头经过焊接热循环和热机械应力等作用，产生冶金和力学效应，从而引起焊接接头接头应力和组织不均匀等问题，进而影响到焊接接头性能变化。以异种组织线性摩擦焊焊接接头Ti17/Ti17为研究对象，将其分别在630ºC、655ºC和680ºC进行焊后退火处理，系统研究了退火温度对焊接接头不同区域组织，显微硬度、断裂韧性以及疲劳裂纹扩展性能的影响，为优化该线性摩擦焊的焊后热处理工艺，提高焊接接头的断裂性能提供理论基础。 研究发现，无论异种合金Ti64/Ti17还是异种组织Ti17/Ti17线性摩擦焊焊接接头都由母材区，二次α相熔解的热影响区，塑性变形严重的热机影响区以及再结晶焊缝区组成。在焊态下焊接接头焊缝区硬度最低，这与其中软相马氏体α"有关。退火后焊接接头各区域均析出大量细小的针状αs相，且焊缝区的α"分解，所以提高了焊接接头的显微硬度。焊接接头皆表现了与母材相当或者更好的拉伸性能，但是断裂韧性及疲劳裂纹扩展实验发现，焊缝韧性与抗疲劳裂纹扩展性能较差，表现出明显的沿晶断裂，680ºC退火提高其断裂韧性，但是无法消除沿晶断裂。