美国空军研究实验室Metall. Mater. Trans. A：解密航空材料的焊接技术

【引言】

惯性摩擦焊（IFW）是一种广泛应用于相似或异种材料固态连接的方法。三个独立的参数，即飞轮转动惯量I，初始飞轮动能E_o以及轴向压力P控制着焊接过程。正确地选择这些参数对于获得良好的焊接质量非常重要。每个参数控制IFW的不同物理过程。在IFW期间，轴向压力P使相互旋转的连接表面（由I和E_o控制的角速度）接触，界面发生摩擦将飞轮的动能转换成热能，同时令接合表面的温度迅速增加，进而导致一个或两个接合材料的屈服应力σy降低至流动应力以下。此时，表面层开始流动并在接触区域外横向挤出，从而形成特征闪光。然而，对于镍基高温金，在IFW期间会在焊接界面处或其附近产生各种缺陷，包括氧化物/碳化物薄膜，气孔链和裂缝，严重影响焊接后构件的性能。最近，有学者对镍基高温合金惯性摩擦焊接行为进行了研究，并讨论了IFW工艺参数与焊接性能及焊后性能之间的关系。

【成果简介】

近日，来自美国空军研究实验室的O. N. Senkov (通讯作者)等人在Metall. Mater. Trans. A上发布了一篇关于镍基高温合金惯性摩擦焊的文章，题为“A Comparison of the Inertia Friction Welding Behavior of Similar and Dissimilar Ni-Based Superalloys”。 作者测定了相似(LSHR至LSHR或Mar-M247至Mar-M247)和异种(LSHR至Mar-M247)合金的惯性摩擦焊接行为。确定了IFW工艺参数与焊接响应之间的关系，例如飞轮机械能转化为连接样品热的动力学和效率，焊接持续时间，闪光形成动力学和粘结质量，并确定了获得良好焊接的条件。

研究结果表明，异种合金焊接期间每种合金的力学性能与相似合金焊接期间相应合金的行为表现近乎一致。相比之下，热影响区的微观结构，显微硬度和厚度则取决于IFW期间所使用的合金种类。

【图片导读】

图1 惯性摩擦焊行为

(a) LSHR和LSHR在IFW期间飞轮角速度与时间的关系；

(b) Mar-M247和Mar-M247在IFW期间飞轮角速度与时间的关系；

(c) 三种样品的角减速行为比较；

(d) 三种样品的总焊接时间与飞轮转动惯量的关系。

图2 摩擦过程中能量的变化

(a-b) 焊接界面消耗的能量；

(c) 飞轮消耗的能量与时间的关系；

(d) 三种样品IFW过程中的效率。

图3 LL样品焊接界面区域的微观结构

(a) 次级(ETD)和背向散射(BSED)电子图像；

(b) 氧化物和碳化物的细晶粒层。

图4 MM样品焊接区的微观结构

(a) 焊接界面处形成的细晶粒层；

(b) 细晶粒层外侧的细晶粒和裂缝；

(c) 细粒层内侧和边界处的氧化物粒子链；

(d) 外表面外挤出的细粒层。

图5 碳化层及碳化物颗粒

(a) 样品经重度变形后边界处的一组碳化物薄膜和碳化物颗粒；

(b) 较高放大倍数下的照片显示IFW期间碳化物颗粒在剪切应力下发生磨损。

【小结】

本文系统地研究了镍基高温合金LSHR和LSHR（L-L）或Mar-M247到Mar-M247（M-M）和不同合金LSHR到Mar-M247（L-M）的惯性摩擦焊接行为。在所有实验中，IFW都使用相同的飞轮动能和轴向压缩力进行，但具有四种不同的飞轮惯性矩I。在这种焊接条件下，IFW以低角速度开始，并在使用大飞轮一段时间后完成。尽管在所有情况下使用相同的飞轮动能，但L-L，M-M和L-M焊接的质量会随着飞轮转动惯量的增加而提高。这种行为主要是由于工艺效率的提高，即当使用具有较高I的飞轮进行IFW时，焊接样品消耗了较多的动能。

文献链接：A Comparison of the Inertia Friction Welding Behavior of Similar and Dissimilar Ni-Based Superalloys (Metall. Mater. Trans. A, 30 July, 2018 , DOI: 10.1007/s11661-018-4853-3)

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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