美國空軍研究實驗室Metall. Mater. Trans. A：解密航空材料的焊接技術

【引言】

慣性摩擦焊（IFW）是一種廣泛應用于相似或異種材料固態連接的方法。三個獨立的參數，即飛輪轉動慣量I，初始飛輪動能E_o以及軸向壓力P控制著焊接過程。正確地選擇這些參數對于獲得良好的焊接質量非常重要。每個參數控制IFW的不同物理過程。在IFW期間，軸向壓力P使相互旋轉的連接表面（由I和E_o控制的角速度）接觸，界面發生摩擦將飛輪的動能轉換成熱能，同時令接合表面的溫度迅速增加，進而導致一個或兩個接合材料的屈服應力σy降低至流動應力以下。此時，表面層開始流動并在接觸區域外橫向擠出，從而形成特征閃光。然而，對于鎳基高溫金，在IFW期間會在焊接界面處或其附近產生各種缺陷，包括氧化物/碳化物薄膜，氣孔鏈和裂縫，嚴重影響焊接后構件的性能。最近，有學者對鎳基高溫合金慣性摩擦焊接行為進行了研究，并討論了IFW工藝參數與焊接性能及焊后性能之間的關系。

【成果簡介】

近日，來自美國空軍研究實驗室的O. N. Senkov (通訊作者)等人在Metall. Mater. Trans. A上發布了一篇關于鎳基高溫合金慣性摩擦焊的文章，題為“A Comparison of the Inertia Friction Welding Behavior of Similar and Dissimilar Ni-Based Superalloys”。 作者測定了相似(LSHR至LSHR或Mar-M247至Mar-M247)和異種(LSHR至Mar-M247)合金的慣性摩擦焊接行為。確定了IFW工藝參數與焊接響應之間的關系，例如飛輪機械能轉化為連接樣品熱的動力學和效率，焊接持續時間，閃光形成動力學和粘結質量，并確定了獲得良好焊接的條件。

研究結果表明，異種合金焊接期間每種合金的力學性能與相似合金焊接期間相應合金的行為表現近乎一致。相比之下，熱影響區的微觀結構，顯微硬度和厚度則取決于IFW期間所使用的合金種類。

【圖片導讀】

圖1 慣性摩擦焊行為

(a) LSHR和LSHR在IFW期間飛輪角速度與時間的關系；

(b) Mar-M247和Mar-M247在IFW期間飛輪角速度與時間的關系；

(c) 三種樣品的角減速行為比較；

(d) 三種樣品的總焊接時間與飛輪轉動慣量的關系。

圖2 摩擦過程中能量的變化

(a-b) 焊接界面消耗的能量；

(c) 飛輪消耗的能量與時間的關系；

(d) 三種樣品IFW過程中的效率。

圖3 LL樣品焊接界面區域的微觀結構

(a) 次級(ETD)和背向散射(BSED)電子圖像；

(b) 氧化物和碳化物的細晶粒層。

圖4 MM樣品焊接區的微觀結構

(a) 焊接界面處形成的細晶粒層；

(b) 細晶粒層外側的細晶粒和裂縫；

(c) 細粒層內側和邊界處的氧化物粒子鏈；

(d) 外表面外擠出的細粒層。

圖5 碳化層及碳化物顆粒

(a) 樣品經重度變形后邊界處的一組碳化物薄膜和碳化物顆粒；

(b) 較高放大倍數下的照片顯示IFW期間碳化物顆粒在剪切應力下發生磨損。

【小結】

本文系統地研究了鎳基高溫合金LSHR和LSHR（L-L）或Mar-M247到Mar-M247（M-M）和不同合金LSHR到Mar-M247（L-M）的慣性摩擦焊接行為。在所有實驗中，IFW都使用相同的飛輪動能和軸向壓縮力進行，但具有四種不同的飛輪慣性矩I。在這種焊接條件下，IFW以低角速度開始，并在使用大飛輪一段時間后完成。盡管在所有情況下使用相同的飛輪動能，但L-L，M-M和L-M焊接的質量會隨著飛輪轉動慣量的增加而提高。這種行為主要是由于工藝效率的提高，即當使用具有較高I的飛輪進行IFW時，焊接樣品消耗了較多的動能。

文獻鏈接：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)

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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