【摘 要】
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整体叶盘在长期服役过程中由于恶劣的工作环境,转子叶片易受异物损伤而出现裂纹、卷边等缺陷,从而造成整体叶盘的失效。本文针对整体叶盘用TC17钛合金的叶尖及边缘损伤,采用电子束焊接方法开展其修复试验研究。通过有限元仿真来设计合理的修复束能量,研究修复接头成形规律,采用OM、SEM、XRD等研究手段对接头的微观组织、相构成及成分进行分析,对接头的力学性能进行测试,探索了不同焊后热处理制度对修复接头显微组
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整体叶盘在长期服役过程中由于恶劣的工作环境,转子叶片易受异物损伤而出现裂纹、卷边等缺陷,从而造成整体叶盘的失效。本文针对整体叶盘用TC17钛合金的叶尖及边缘损伤,采用电子束焊接方法开展其修复试验研究。通过有限元仿真来设计合理的修复束能量,研究修复接头成形规律,采用OM、SEM、XRD等研究手段对接头的微观组织、相构成及成分进行分析,对接头的力学性能进行测试,探索了不同焊后热处理制度对修复接头显微组织和力学性能的影响,揭示了影响修复接头质量的内在工艺因素。首先建立了电子束焊接有限元仿真数值模型,揭示了焊接束流和焊接速度对焊接温度场的影响规律,获得了适宜的修复工艺窗口为加速电压55k V、焊接束流28～32m A、焊接速度500mm/min。研究了焊接束流和添加扫描工艺对接头表面成形的影响,发现仅改变焊接束流时会出现全熔透即下塌的缺陷,添加扫描工艺可以一定程度上改善熔透成形,但是局部焊缝宽度不连续。对两类典型焊缝横截面形貌“钉形”和“楔形”的焊缝形状系数研究表明,随着焊接束流的增加,余高逐渐减小,焊缝熔深系数和熔宽系数均增大;添加扫描后,不会改变焊缝形状系数与焊接束流的关系;通过在焊缝背面添加2mm厚的TC17钛合金垫板,在聚焦电流2490m A（下聚焦）、加速电压55k V、焊接束流36m A、焊接速度600mm/min时可以得到在本试验范围内成形最优的焊缝。TC17钛合金电子束焊接接头焊缝区大部分为亚稳β晶,含有少量次生α相。热影响区可以分为近热影响区、中热影响区和远热影响区。近热影响区全部为亚稳β晶;中热影响区次生α相全部溶解,初生α相开始溶解;远热影响区次生α相部分溶解。接头显微硬度分布不均匀,焊缝区最低,为300HV左右,母材最高,为380HV左右,热影响区介于二者之间。焊缝上下部位力学性能存在不均匀性,其中焊缝上部抗拉强度要低于焊缝下部但断后伸长率要大于焊缝下部。添加扫描后,由于增大了焊缝区的宽度,而焊缝区是整个接头力学性能的薄弱区,因此焊接接头的断后伸长率明显下降。采用添加垫板方式优化了接头熔透成形,此时接头上部抗拉强度为1062MPa（达到母材的91.4%）,断后伸长率为8.6%（已超出母材）;接头下部抗拉强度为1108MPa（达到母材的95.4%）,断后伸长率为6.2%（达到母材的76.5%）。采用焊后热处理优化接头显微组织和力学性能,发现焊后退火热处理使焊缝区和热影响区的亚稳β晶内部析出弥散的次生α相,从而改善了接头的综合力学性能。确定最佳热处理工艺为800℃保温两小时炉冷至530℃保温三小时空冷（800℃×2h/FC→530℃×3h/AC）,此时接头上部抗拉强度为1107MPa且断后伸长率为11.7%,接头下部抗拉强度为1108MPa且断后伸长率为14.4%,均达到母材力学性能的90%。
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