Ti-55高温钛合金超塑变形/同步动态扩散连接的界面机理研究

The interface property of superplastic forming/diffusion bonding is the most critical factor of part quality. Bad interface restricts the extensive application of Ti-55 titanium alloy SPF/DB components in aerospace field. Therefore the most complicated interface by synchronous dynamic diffusion bonding is investigated. The effect of testing and material parameters on superplastic deformation behavior of Ti-55 alloy sheet is studied, and its flow stress model is built. By means of OM, SEM and TEM et al., the microstructural mechanisms of rare earth(RE) phase, recovery and recrystallization on superplastic deformation are observed. The influence of process and material parameters on interface properties of diffusion bonding is tested and the role of RE phase at interface is analyzed. Considering the tangential stress and stochastic distribution of surface roughness, a void closure model is derived based on the dynamic conditions for various mechanisms during diffusion bonding process. The effects of grain refinement and hydrogenation on superplastic deformation and SPF/DB interface properties of Ti-55 alloy are tested. The boundary condition between diffusion bonding layers is performed by staging treatment, then FEM model of four-layer SPF/BD wing is obtained. The accuracy of these models is verified by the measured thickness distribution and the fraction of bonding area. The interface quality is also improved by the optimization of process parameters.

超塑成形/扩散连接界面性能是决定整个产品质量的最关键因素，限制Ti-55钛合金SPF/DB构件在航空航天广泛使用的主要问题就是界面质量差，因此将最复杂的同步动态扩散连界面作为研究对象。研究试验参数和材料参数对Ti-55板超塑变形行为的影响规律，并建立其流动应力模型，采用OM、SEM和TEM等分析手段观察稀土相、回复、再结晶在其变形过程中的微观机理。测试工艺和材料参数对扩散连接界面性能的影响规律，并分析稀土相在连接界面的作用机制；考虑超塑变形过程中的切向应力作用和实际表面粗糙度的概率分布，基于金属扩散时各种机制作用的动力学条件，建立界面孔洞闭合模型。研究晶粒细化和吸氢对Ti-55板的超塑变形以及SPF/DB界面性能的影响规律。以分段处理扩散层间的边界条件，建立四层翼面结构SPF/DB的有限元模型，通过样件实测的厚度分布和界面面积连接分数验证模型的精度，利用工艺参数的优化以提高界面质量。

本项目对Ti-55高温钛合金的超塑成形和扩散连接工艺进行了系统研究，特别是置氢对其超塑变形行为和扩散连接性能的影响规律和机制进行了深入研究。置氢Ti-55钛合金最佳超塑变形温度降低约为125℃，主要原因是置氢降低了位错密度、降低了α+β/β相变温度、促进了动态再结晶和增加了β相含量，基于线性拟合方法建立了置氢Ti-55钛合金的高温变形本构方程，发现双曲正弦函数型本构方程对于合金的适用性最好。在超塑气胀成形中置氢Ti-55钛合金最佳成形温度降低约为100℃，主要是由于在置氢合金中β相含量的增加, α/β比例接近1:1, 晶粒细化以及动态再结晶。与原始合金相比，置氢0.5wt%经热氢处理后的合金在550℃的屈服强度和抗拉强度分别提高了35.6%和33.9%，是由于细晶强化、位错强化和相硬度增加共同作用的结果。通过置氢除氢处理，Ti-55钛合金的最佳超塑变形温度降低了约为150℃，源于晶粒的细化和更多的β相含量，晶粒细化了10倍。在置氢Ti-55扩散连接试验中发现残留的氢含量对扩散连接界面性能起着决定性作用，通过降低扩散连接温度可以提高残留氢的含量。残留氢破碎了原始的长条状平直α相晶界，使高角度晶界晶粒增加；与空洞相交的晶界数增加，晶粒边界扩散增强，空洞闭合加快。提出的扩散连接双峰模型可以较预测一定扩散连接工艺条件下的焊合率。Ti-55高温钛合金可以通过超塑成形/扩散连接的工艺制成具有中空结构的三层空心结构件，通过合理选择工艺参数得到的Ti-55钛合金三层结构件，整体成形质量较好，厚度分布均匀。超塑性变形/扩散连接四层结构有限元仿真结果显示，四层结构的腔体宽度和高度、连接宽度等结构参数以及应变速率等成形参数最终决定了最终成形件的厚度分布和载荷-时间曲线，四层结构受到阻焊剂厚度和界面质量等多种因素的影响。