TC21损伤容限钛合金线性摩擦焊研究：组织演变、断裂行为与强化机制

《Materials Today Communications》：Linear friction welding of TC21 damage tolerance titanium alloy: Microstructure evolution, failure behavior and strengthening mechanism

本文系统研究了TC21损伤容限钛合金线性摩擦焊（LFW）接头微观组织演变规律，发现焊缝可分为基材（BM）、热影响区（HAZ）、热机械影响区（TMAZ）和焊核区（WZ）四个特征区域。研究揭示了焊态接头在TMAZ区域的失效机制源于高密度位错在变形层片α/亚稳β界面的塞积，而经过570℃×4h退火处理后，通过细小时效α相的再析出实现Orowan强化（增量达229MPa），使接头抗拉强度提升至1131.4MPa，断后伸长率和断面收缩率分别增至9.4%和23.9%。该研究为航空承力结构件的组合制造提供了重要理论支撑。

　　

^Highlight

^实验方法

本研究所选TC21损伤容限钛合金的化学成分如表1所示。该材料取自经过双重退火处理（首先在905℃退火2.5小时空冷，随后在570℃退火7小时空冷）的锻坯。TC21的β相变温度约为970℃[24]。图1展示了层片状TC21钛合金基材的微观组织特征，它由众多尺寸达数百微米的大尺寸β晶粒组成，晶内分布着交错排列的α片层。

^{焊态接头的微观组织演变}

图2a展示了TC21钛合金线性摩擦焊接头的整体焊缝微观组织，可见焊缝区域无焊接缺陷，表明本研究采用的焊接参数获得了完好接头。需要特别说明的是，焊缝中心两侧的微观组织基本一致，整体接头呈对称分布。根据宏观和微观组织特征，接头可划分为四个区域：

^结论

本研究成功实现了层片状TC21损伤容限钛合金的线性摩擦焊接。通过系统研究接头微观组织演变和拉伸性能，深入揭示了薄弱区域在拉伸载荷下的断裂行为。最终采用焊后退火热处理实现了接头性能优化，并阐明了相关强化机制。本研究主要获得以下结论：