南昌航空大学Materials Characterization:通过受控散热与强制冷却调控搅拌摩擦焊Ti60钛合金的微观组织与力学性能
南昌航空大学材料学院在“Materials Characterization”期刊上发表题为“Microstructure and mechanical properties modification of friction stir welded Ti60 titanium alloy via controlled heat dissipation and forced cooling”——“通过受控散热与强制冷却调控搅拌摩擦焊Ti60钛合金的微观组织与力学性能”的文章。该研究为获得沿厚度方向均匀的搅拌区组织，本采用低导热垫板并结合焊缝顶面强制冷却的方式，对钛合金搅拌摩擦焊接头进行了调控。结果表明，在150 r/min的低转速条件下，无论焊接速度如何，均可获得无缺陷焊缝。施加水冷后，搅拌区顶部、中部和底部分别观察到细针状、细化片层和等轴α相，且沿厚度方向的晶粒尺寸分布更加均匀。水冷接头的抗拉强度提升至1176 MPa，同时展现出优异的塑性。其强化与塑化机制主要归因于水冷在搅拌区内诱导形成的{1011}孪晶。钛合金因其高强度、优异的耐热性和出色的耐腐蚀性，已成为航空航天领域关键承力部件（如发动机挂架和机身框架）的理想材料。然而，钛合金的高化学反应活性和低导热性使其在熔焊过程中易产生气孔、氧化物夹杂等缺陷，从而降低了焊接接头的可靠性。搅拌摩擦焊作为一种固态连接技术，通过热机械耦合促使材料发生塑性流动而不熔化，从根本上避免了熔焊缺陷。该工艺具有热输入低、变形小、残余应力可控等特点，能制备出疲劳、拉伸和弯曲性能优异的接头，尤其适用于薄壁及大型钛合金构件的低应力精密连接，在高端航空航天制造中展现出巨大的应用潜力。在钛合金搅拌摩擦焊过程中，其低导热性导致沿厚度方向产生显著的温度梯度，进而引起微观组织演变的明显差异。在常规搅拌摩擦焊中，热输入主要依赖于搅拌肩与工件表面之间的摩擦加热。钛合金的低导热性阻碍了热量沿厚度方向的均匀耗散，导致近表面区域出现过热甚至氧化，而焊缝根部热量渗透不足则可能造成未焊透缺陷。这会在厚度方向上诱发梯度组织，严重影响接头性能的均匀性和可靠性。为优化厚度方向的热量分布，一些研究尝试利用外部辅助热源来调节热循环，比如预热焊缝、施加液氮冷却等。本研究采用焊缝表面水冷与低导热垫板相结合的方法，调控搅拌摩擦焊Ti60钛合金接头的微观组织。研究了微观组织对力学性能的影响，旨在阐明搅拌区热场均匀化在提升接头整体性能中的作用。(1) 针对钛合金导热性差导致沿厚度方向温度梯度大的问题，将低导热垫板与焊缝顶面强制水冷相结合，实现了搅拌区热场的均匀化，从而有效抑制了沿厚度方向的微观组织梯度。(2) 研究发现水冷诱导的快速冷却不仅细化了晶粒，更关键的是在搅拌区中生成了{1011}孪晶；这些孪晶界既能通过阻碍位错运动提高强度，又能协调塑性变形，从而同时提升了接头的强度与塑性。图1 FSW工艺示意图(a)FSW工艺示意图，(b)焊接工具，(c)拉伸试样的几何形状(mm)图2 接头断面宏观结构(a)150–20、(b)150–30、(c)150–40、(d)150–50、(e)150–40-水冷(150–40-W)图3 SZ顶部显微组织(a)150–20，(b)150–30，(c)150–40，(d)150–50，(e)150–40-W图4 SZ中部显微组织(a)150–20，(b)150–30，(c)150–40，(d)150–50，(e)150–40-W图5SZ底部显微组织(a)150–20，(b)150–30，(c)150–40，(d)150–50，(e)150–40-W(a)-(c)150-20，(d)-(f)150-40，(g)-(i)150-40-W图8 150-40和150-40-W焊接参数下接头AS上TMAZ和HAZ的显微组织(a)-(b)150-40；(c)-(d)150-40-W图9 FSW接头的硬度等高线图(a)150–20、(b)150–30、(c)150–40、(d)150–50、(e)150–40-W图10 FSW接头的应力-应变曲线和抗拉强度(a)150–50和150–40-W接头的应力-应变曲线，(b)抗拉强度图11 FSW接头中塑性应变演变的轮廓(a)150–50，(b)150–40-W图12 不同接头的断裂位置及形态 (a)150-50断裂位置，(b)150-40-W断裂位置，(c)-(e)150-50断裂形态，(f)-(h)150-40-W断裂形态图13 使用不同焊接参数制造的SZ顶部区域的再结晶分布、晶粒类型分数统计和(0001)极图(a)-(c)150–40、(d)-(e)150–40-W本研究采用低导热垫板并在焊接过程中对焊缝表面进行水冷，对Ti60合金板材进行了搅拌摩擦焊。系统研究了搅拌区沿厚度方向不同区域的微观组织演变、晶粒细化机制，以及水冷后搅拌区内的相变和孪晶形成过程。水冷接头展现出优越的力学性能。结论如下：(1) 在低转速下进行搅拌摩擦焊可将焊接热输入调节至适中范围，使搅拌区底部的空腔得以有效填充，从而显著抑制焊接缺陷的产生，同时有效减轻焊缝表面的氧化。相比之下，焊接过程中引入水冷工艺会加剧焊缝表面的氧化程度。(2) 低转速搅拌摩擦焊提供的适中热输入使得热机影响区与母材之间的界面过渡平滑，并减小了界面处的组织不均匀性。得益于更高的冷却速率，水冷工艺能显著抑制α相的生长，促进搅拌区组织的均匀化，并实现搅拌区内整体晶粒尺寸的细化。(3) 在150-50-W焊接参数下，接头达到1200 MPa的最高极限抗拉强度，为母材强度的97.3%，但塑性较差，拉伸曲线中未见明显的屈服阶段。相比之下，150-40-W参数实现了接头硬度分布的均匀化，在保持抗拉强度为母材95.3%的同时显著改善了塑性，并呈现出清晰的屈服阶段。所有接头均断裂于热影响区与热机影响区的交界处，断口呈现典型的韧窝形貌，属于典型的韧性断裂模式。(4) 在150-40-W焊接参数下，搅拌区顶部的亚结构比例和织构强度显著提高。焊接过程中，搅拌区发生动态再结晶，形成低位错密度的等轴α晶粒。该过程促进了初始组织中β相的溶解，并导致β相体积分数降低。水冷带来的快速冷却效应能够抑制β相的平衡析出，并诱导形成α'马氏体和{1011}孪晶。孪晶界通过细晶强化作用增强了强度，并协调了塑性变形，从而显著改善了搅拌区的塑性变形能力。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2026.116555
