鈦（Ti）與304L不銹鋼無縫管的異種金屬接頭在核工業(yè)是必不可少，因?yàn)橄男匀剂系娜芙馐窃谥糜谌芙馊萜鳎ㄢ佒瞥桑┲蟹序v的硝酸溶液中完成的，溶解后的溶液通過304L不銹鋼無縫管道輸送到304L不銹鋼制成的其他設(shè)備組件。由于放射性環(huán)境，異種接頭的密封性和耐腐蝕性能是重要的。在這項(xiàng)工作中，摩擦焊接過程嘗試連接鈦和304L不銹鋼無縫管。鈦與304L不銹鋼無縫管的直接摩擦焊接產(chǎn)生了硬的焊點(diǎn)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)過程時(shí)在鈦基金屬上產(chǎn)生斷裂。然而，接頭彎曲韌性幾乎為零，已歸因于由于機(jī)械合金化、接頭界面附近鈦的應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力形成的金屬間化合物。焊后熱處理由于緩解了接頭界面應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力的影響，稍微增加了彎曲韌性至5°。按ASTMA-262PracticeC在沸騰的硝酸進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)表明平均腐蝕率為10mpy，接頭腐蝕試驗(yàn)后仍然完整。對(duì)機(jī)械測(cè)試及采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，細(xì)節(jié)進(jìn)行了討論。

鈦（Ti）和鈦合金（viz.Ti-5Ta和Ti-5Ta-1.8Nb）在沸騰的硝酸中優(yōu)越的耐腐蝕性能，決定了它們將作為制造核再加工設(shè)備電解容器的候選材料，在容器中消耗性燃料的溶解是在沸騰的硝酸溶液中完成的。溶解后的溶液通過304L不銹鋼無縫管道輸送到304L不銹鋼制成的其他回收設(shè)備組件，因此，連接電解容器和其余回收設(shè)備處需要一個(gè)鈦和304L不銹鋼的異種金屬接頭。這個(gè)過渡接頭的完整性對(duì)回收設(shè)備的安全運(yùn)行非常關(guān)鍵，然而，傳統(tǒng)熔焊對(duì)Ti和304L不銹鋼無縫管進(jìn)行焊接，接頭存在一些主要問題，包括：

1. 由于鐵鈦有限的溶解性，在接頭界面形成了脆性金屬間化合物，如Fe2Ti像FeTi；

2. 由于其物理性質(zhì)的顯著差異，在焊接過程中產(chǎn)生了過度變形和殘余應(yīng)力，例如：熱膨脹系數(shù)（Ti：7.6mm-1K1，ss：17-18mm-1K1）；傳熱特征和熔點(diǎn)【Ti：1933K（1660℃），304LSS：~1673K（~1400℃）】。基于上述原因，鈦和304L不銹鋼的直接熔焊焊接是不可行的。固態(tài)焊接工藝，限制了相互混合的程度，一般被用來對(duì)鈦和304L不銹鋼及多種不同這樣的金屬進(jìn)行連接。傳統(tǒng)的固態(tài)連接過程，如摩擦焊、擴(kuò)散焊、和爆炸焊，對(duì)不同金屬的連接在核工業(yè)、石油化工業(yè)和航空航天工業(yè)，以及海軍應(yīng)經(jīng)得到了應(yīng)用。在日本，已經(jīng)使用爆炸焊和擴(kuò)散焊技術(shù)制取Zr和不銹鋼異種金屬接頭的回收設(shè)備。為避免金屬間化合物的形成在Zr和不銹鋼擴(kuò)連接的擴(kuò)散焊中加入Ta中間層，并且取得了高達(dá)Zr的粘結(jié)強(qiáng)度。爆炸焊已用于阿波羅飛船上的Ti和不銹鋼過渡接頭在和船舶上鋁鋼過渡接。

在摩擦焊接時(shí)，焊接所需的熱是由兩個(gè)表面結(jié)合時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，在正常情況下，沒有發(fā)生界面熔化。摩擦焊接過程得到充分理解，并且自20世紀(jì)40年代，在商業(yè)規(guī)模已被廣泛的用于同種金屬和異種金屬的連接。有三種不同的摩擦焊接過程，即，旋轉(zhuǎn)摩擦焊、線性焊和軌道摩擦焊。旋轉(zhuǎn)摩擦焊接只能用于圓形斷面，在此過程中一個(gè)組件必須是相對(duì)于軸的旋轉(zhuǎn)體，而另一組件在連接時(shí)，施加壓力的同時(shí)保持固定。根據(jù)焊接旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)移的方式，旋轉(zhuǎn)摩擦焊接可進(jìn)一步可分為兩大類：直接驅(qū)動(dòng)（連續(xù)驅(qū)動(dòng)）和慣性驅(qū)動(dòng)（儲(chǔ)存能量）。直接驅(qū)動(dòng)摩擦焊采用以恒定速度運(yùn)行的馬達(dá)，而慣性驅(qū)動(dòng)摩擦焊使用儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)飛輪的動(dòng)能，作為摩擦階段向接頭處得能量輸入。在線性摩擦焊的情況下，一個(gè)組件是固定的，而另外一組件在壓力作用下以小直線偏置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。線性摩擦焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，已成為一套重要的整體渦輪盤生產(chǎn)制造和修復(fù)的技術(shù)。軌道摩擦焊是一種結(jié)合線性摩擦焊和旋轉(zhuǎn)摩擦焊的焊接方式，兩組件在結(jié)合的過程中，以相同的角速度常量繞縱向軸旋轉(zhuǎn)。在這里，兩縱向軸線是平行的，有一小直線距離補(bǔ)償。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的部件停止，零件要正確地對(duì)齊，形成焊縫。不像旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，線性摩擦焊和軌道摩擦焊接可焊接非圓零件，并且在接頭截面位置產(chǎn)生的熱量幾乎是相同的。然而，旋轉(zhuǎn)摩擦焊接是最古老的，但仍然是最常用的連接方法。摩擦焊接中，可為焊接提供所需的熱量和壓力并且影響粘結(jié)強(qiáng)度有的主要工藝參數(shù)：摩擦壓力、摩擦?xí)r間、鍛造壓力（頂端壓力）和旋轉(zhuǎn)速度。在直接驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過程的情況下，旋轉(zhuǎn)的速度是最敏感的過程變量，如果壓力和加熱時(shí)間等能夠適當(dāng)?shù)乜刂?，它可以在很寬的范圍?nèi)變化。在焊接鋼的情況下，建議圓周速率控制在75m/min-215m/min。

在一般情況下，較高的速率相當(dāng)于低的焊接熱輸入，用于焊接熱敏感材料，如淬硬鋼（Elmer和Kautz，1993年）。此外，接頭表面的光滑度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有著很重要的影響，尤其是對(duì)異種金屬的連接。焊接同種金屬時(shí)，兩個(gè)金屬的變形量和表面光潔度是否相同就不是關(guān)鍵了。焊接異種金屬時(shí)，兩種金屬變形程度不同，例如，在Ti和不銹鋼連接，相對(duì)于不銹鋼，鈦側(cè)高溫下的變形兩大，因此，不銹鋼的表面平整度是至關(guān)重要的（Fuji等，1992年）。控制焊縫中心線處峰值溫度是非常重要的，尤其是在異種金屬接頭的情況下，避免了基體材料的融化，脆性相的產(chǎn)生，和過度壓力產(chǎn)生。低碳鋼和低碳鋼，以及低碳鋼與304不銹鋼使用摩擦焊進(jìn)行連接，使用紅外探測(cè)器檢測(cè)顯示最高溫度分別為1480℃和1425℃，（Mousavi Akbari和Kelishami Rahbar，2008年）。初始?jí)毫ΓΣ翂毫Γ?duì)von-Misses應(yīng)力和等效應(yīng)變分布比最終壓力（頂端壓力）影響更為嚴(yán)重。

鈦和304L不銹鋼無縫管摩擦焊連接時(shí)，獲得了拉伸強(qiáng)度460MPa，失敗發(fā)生在金屬鈦基上。通過降低304L不銹鋼管表面粗糙度，可以提高拉伸強(qiáng)度。然而，由已焊接接頭顯示彎曲韌性（<10°）是非常差的，所有樣品都在界面處失敗。焊后加熱到773~873K（500~600℃），而后風(fēng)冷，在不影響抗拉強(qiáng)度性的情況下，使拉彎曲韌性高到40°。熱處理對(duì)彎曲韌性的改善是由于在界面處的冷加工的回復(fù)，降低了界面區(qū)Ti被加工硬化和接頭界面連接的硬度。但是，但是焊后加熱高于973K（700℃）是對(duì)彎曲韌性和接頭強(qiáng)度不利的，因?yàn)橐粋€(gè)連續(xù)的金屬間化合物帶在界面上形式。

浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)鈦和321不銹鋼無縫管摩擦焊接和釬焊進(jìn)行了研究。真空釬焊使用銀基袋-19狀箔作為釬料完成釬焊。摩擦焊接接頭拉伸強(qiáng)度為420MPa，破壞發(fā)生在Ti基材料上，而釬焊接頭的失敗出現(xiàn)在界面處，拉伸強(qiáng)度為275MPa。

摩擦焊接接頭良好的拉伸強(qiáng)度可能是由于金屬間化合物層較薄（<0.1納米內(nèi)）。與此相反，釬焊產(chǎn)生較厚金屬間化合物TiAg、凝固收縮、在接合界面Ag富集相，從而導(dǎo)致較差的拉伸性能。對(duì)1123K（850℃）下保持30~150min，單軸壓力為3Mpa下的工業(yè)純鈦和304L不銹鋼管擴(kuò)散焊進(jìn)行了研究，并報(bào)告了反應(yīng)區(qū)金屬間化合物相的形成。擴(kuò)散連接拉伸測(cè)試表明，最大粘接強(qiáng)度為242MPa（76%的鈦基料），結(jié)合時(shí)間為90分鐘的伸長(zhǎng)率為5%。由于Ni具有良好的耐腐蝕性，以及鎳鈦金屬化合物具有一定的可塑性，以Ni作為釬料，對(duì)Ti-6A1-4V合金和18Cr-10Ni不銹鋼進(jìn)行擴(kuò)散焊接。盡管Ni和不銹鋼有很好的粘結(jié)，但在Ni和Ti-6Al-4V的界面上，高溫條件下出現(xiàn)了金屬件化合物TiNi3、TiNi和Ti2Ni，低溫條件下出現(xiàn)了TiNi單相層。

由于摩擦焊是一種完善地確定為固態(tài)連接過程，如上報(bào)告，它被成功的應(yīng)用在Ti和304L不銹鋼連接，因此在本研究中，應(yīng)用摩擦焊技術(shù)對(duì)鈦和304L不銹鋼進(jìn)行連接，作為核燃料后處理設(shè)備作為第一步。文獻(xiàn)報(bào)道的摩擦焊接參數(shù)以最優(yōu)的摩擦焊接參數(shù)作為基礎(chǔ)，以獲得最佳的拉伸性能。使用彎曲拉伸試驗(yàn)和靠模彎曲試驗(yàn)對(duì)接頭進(jìn)行評(píng)估。應(yīng)用顯微硬度測(cè)量和光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接焊接接口進(jìn)行全面的檢測(cè)，以確定在焊接過中不同區(qū)域的形成，掃描電鏡和能譜研究也用于對(duì)跨跨焊縫界面元素的擴(kuò)散的研究。用掃描電子鏡對(duì)斷裂面觀察，以確定接頭的失效模式。Ti和304L不銹鋼焊接接頭也受到焊后熱處理（PWHT），用以研究其對(duì)接頭延展性的影響。

一、實(shí)驗(yàn)過程

Ti棒和304L不銹鋼無縫管的化學(xué)成分和機(jī)械性能分別見表。如上所述，直接驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接的主要參數(shù)是摩擦壓力、頂鍛壓力、進(jìn)給長(zhǎng)度（軸向尺寸的減少）、頂鍛時(shí)間和主軸旋轉(zhuǎn)速度。摩擦?xí)r間是進(jìn)給長(zhǎng)度的替換參數(shù)，被很少一些摩擦焊接機(jī)制造商使用。這兩個(gè)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)成比例的，即當(dāng)其他參數(shù)保持不變的情況下，進(jìn)給長(zhǎng)度隨摩擦?xí)r間的增加而增加。然而，目前的摩擦焊接機(jī)制造商認(rèn)為，進(jìn)給長(zhǎng)度是比摩擦?xí)r間直觀更有意義的參數(shù)，以確保接合面變形，并提高焊接區(qū)溫度，以實(shí)現(xiàn)塑性變形和固態(tài)焊所需的軟化處理。此外，如基材料性能和接合表面光潔度等許多其他因素也影響接頭性能。因此，為取得良好的接合強(qiáng)度，選取最優(yōu)的焊接參數(shù)。

使用200kN的直接驅(qū)動(dòng)摩擦焊接機(jī)進(jìn)行摩擦焊接。這臺(tái)焊接使用液壓缸提供軸向力，工作中采用載荷傳感器來測(cè)量軸向力，載荷傳感器使用液壓從動(dòng)閥的被控制閉合回路中。使用交流主軸電機(jī)對(duì)主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并能在短時(shí)間進(jìn)行反饋制動(dòng)剎車。采用反饋制動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)主軸制動(dòng)，是電機(jī)向反方向運(yùn)行，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，以比總線稍高的電壓將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，使能量流回到系統(tǒng)中。因此，在沒有能量消耗的情況下，是電阻器中的能量得到了充分的應(yīng)用。焊接過程中，軸向壓力、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給長(zhǎng)度、主軸扭矩等所有重要參數(shù)都被即時(shí)的讀取和繪制。這個(gè)過程圖表有助于對(duì)摩擦焊接過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)矩圖是用來對(duì)熱輸入的計(jì)算，將在后面給予討論。該焊機(jī)基于PLC控制系統(tǒng)，有改變進(jìn)給長(zhǎng)度的規(guī)定，而不是摩擦?xí)r間。

試驗(yàn)中，鈦棒和304L不銹鋼無縫管使用不同的結(jié)合面直徑，分別為18mm和14mm，長(zhǎng)度都為100mm。焊接之前，分貝對(duì)鈦和304L不銹鋼無縫管表面進(jìn)行拋光處理，使粗糙度降低至0.7um和0.3um。焊接中，固定鈦棒，旋轉(zhuǎn)304L不銹鋼。摩擦焊接工藝參數(shù)中，不同的連接下使用的摩擦壓力和進(jìn)給長(zhǎng)度見表3，這些通常被認(rèn)為對(duì)接頭性能有著顯著的影響。其他參數(shù)不變：頂鍛壓力為450MPa，主軸轉(zhuǎn)速為1500rpm，頂鍛時(shí)間為5秒。在核工業(yè)中，鈦和304L不銹鋼無縫管異種金屬接頭在管道幾何形狀中的要求，因此需要對(duì)管道幾何形狀進(jìn)行所有機(jī)械測(cè)試。拉伸測(cè)試，管道由焊接棒加工出來，管道的外徑為14mm，內(nèi)徑為8mm，即墻厚為3mm。拉伸試驗(yàn)，在管道的幾何形狀按ASME第九節(jié)規(guī)定進(jìn)行。摩擦焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得最佳的拉伸性能，隨后，對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)后的摩擦焊接接頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn)和金相觀察。彎曲測(cè)試中，用于制造拉伸試樣的相同尺寸管材，是由EDM切割下來8mm寬的摩擦焊棒、條加工出來的。

焊后熱處理主要是為了降低殘余應(yīng)力和恢復(fù)冷加工結(jié)構(gòu)，目的是為了提高彎曲韌性。早期提到的工作是作為選擇的熱處理溫度和保溫時(shí)間的依據(jù)。焊后熱處理在873K（600℃）的真空爐以三種不同的保溫時(shí)間（0min、15min和30min）完成，以加熱速率20K/min加熱到873K，接著在真空度內(nèi)冷卻至673K（400℃），隨后由氬氣吹至室溫。使用以準(zhǔn)備好的樣品金相對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)的特征和硬度進(jìn)行測(cè)量。采用Kroll試劑對(duì)鈦進(jìn)行腐蝕，使用草酸對(duì)304L不銹鋼進(jìn)行電解腐蝕。使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)接頭整個(gè)界面就行微觀結(jié)構(gòu)分析，使用SEM-EDS的點(diǎn)和線掃描模式對(duì)元素組成進(jìn)行估算。使用掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂表面進(jìn)行觀察，找出了接頭失效的模式，維氏顯微硬度測(cè)量采取對(duì)接口施加100g的負(fù)載。按ASTMA-262Practice C在沸騰的硝酸進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)使用的試樣的尺寸為20mm×10mm×3mm（厚度），用EDM對(duì)焊接棒中心位置進(jìn)行線切割（如圖2），并進(jìn)行金相拋光。為在試驗(yàn)過程中懸掛尼龍帶，在鈦側(cè)制出了一個(gè)直徑為3毫米的孔，減少的重量用0.0001克精度進(jìn)行平衡平衡。為計(jì)算重量減少的總損失，鈦和304L不銹鋼的平均密度進(jìn)行考慮。該試驗(yàn)分為五個(gè)沸騰階段，每個(gè)階段持續(xù)48小時(shí)，每個(gè)沸騰階段使用800cm3的硝酸。

二、結(jié)果與討論

1. 機(jī)械試驗(yàn)

鈦和304L不銹鋼管摩擦焊接接頭揭示了飛邊的形成，這是摩擦焊接接頭的一個(gè)典型特征。飛邊主要含鈦，這是由于鈦在較高的的溫度下，相對(duì)于304L不銹鋼無縫管具有較低的流動(dòng)壓力（摩擦焊接）。在較高溫度下，鈦在1155K（882℃）時(shí)經(jīng)歷了同素異形體的的轉(zhuǎn)變，從密排六方（HCP）a相轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛷?qiáng)度的體心立方（bcc）β相，這是常有的主要變形。摩擦焊接過程中產(chǎn)生的熱量使鈦柔軟，它從一開始就是以“飛邊”的形式流動(dòng)。如圖所示，是二級(jí)鈦和不銹鋼屈服強(qiáng)度隨溫度的變化。

表顯示了接頭極限拉伸強(qiáng)度（UTS）的變化情況，以及不同焊接壓力和進(jìn)給長(zhǎng)度下連接斷裂的位置。焊接壓力為100MPa，進(jìn)給長(zhǎng)度1mm下的焊接接頭的斷裂發(fā)生在鈦基材料上，極限抗拉強(qiáng)度為400MPa，從而表明，接頭的強(qiáng)度高于兩基材料中強(qiáng)度低的一種，即鈦。雖然鈦基材料的抗拉強(qiáng)度為435MPa，但是焊接接頭斷裂發(fā)生在鈦側(cè)，極限拉伸強(qiáng)度僅為400MPa。極限拉伸強(qiáng)度的差異可能因?yàn)橐韵聨追N原因：

a. 對(duì)鈦材料拉伸試驗(yàn)使用的是固體棒，而摩擦焊接接頭拉伸試驗(yàn)使用的是管狀；

b. 由于化學(xué)不均勻性和微觀結(jié)構(gòu)的差異，相同加熱的情況下，兩個(gè)樣品的拉伸性能總存變化的可能性；

c. 也有可能是由于機(jī)器出錯(cuò)。在相同摩擦壓力下，增加進(jìn)給長(zhǎng)度（即增加摩擦?xí)r間）從而增加了界面處得溫度和熱生成量，并促進(jìn)了界面上脆性的形成。同樣，增加摩擦壓力也會(huì)導(dǎo)致熱生成量和溫度的增加。因此，增加進(jìn)給長(zhǎng)度，或增加摩擦壓力，或兩種同時(shí)進(jìn)行，接頭強(qiáng)度將會(huì)因?yàn)榻宇^界面處脆性相的形成二降低。

彎曲測(cè)試顯示鈦和304L不銹鋼無縫管接頭彎曲韌性幾乎為零，這可能是由于界面附近脆性金屬間化合物的形成、應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力。對(duì)試樣在873K下保持0分鐘進(jìn)行焊后熱處理（即加熱至此溫度，但是冷卻時(shí)不在此溫度保持），因?yàn)閺澢g性幾乎為零失敗，這與相同熱處理?xiàng)l件下Fuji等（1992年）報(bào)道的彎曲韌性為40相矛盾。這表明，保溫時(shí)間為0分鐘不足以減輕界面附近的應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力。對(duì)試樣在873K下保持15分鐘進(jìn)行焊后熱處理顯示彎曲韌性略有改善至5°。彎曲韌性的改善是由于殘余應(yīng)力的減輕，以及在鈦應(yīng)變硬化效應(yīng)的回復(fù)，由硬度測(cè)試顯示，將在隨后進(jìn)行討論。對(duì)試樣在873K下保持30分鐘進(jìn)行焊后熱處理顯示彎曲韌性和焊接條件相當(dāng)，這可能是由于隨著保溫時(shí)間的增加，在界面處脆性相的形成和增長(zhǎng)。整體而言，發(fā)現(xiàn)了焊后熱處理對(duì)改善接頭彎曲韌性影響不大。

焊接狀態(tài)條件下，接頭界面上的硬度是變化，焊后熱處理后顯示鈦側(cè)硬度增加，在焊接狀態(tài)條件下表明應(yīng)變硬化增加。不過相對(duì)于最初的基體材料，304L不銹鋼無縫管的硬度并沒有增加，從而表明由于相對(duì)于鈦，304L不銹鋼無縫管產(chǎn)生了有限變形，而沒有應(yīng)變硬化。焊后熱處理后硬度剖面顯示鈦側(cè)硬度降低了，這表明應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力的影響得到了復(fù)蘇。這導(dǎo)致在焊后熱處理后延性略有增加至約5°，如前面提到的。這表明，應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力不是導(dǎo)致鈦和/30L不銹鋼接頭彎曲韌性不佳的主要因素。導(dǎo)致鈦和/304L不銹鋼接頭彎曲韌性不佳的主要因素是接頭處形成了脆性第二相，在隨后的SEM-EDS公司的研究報(bào)告中得到了證實(shí)。鈦側(cè)的硬度與殘余應(yīng)力的積累有關(guān)。中鈦和304L不銹鋼無縫管的摩擦焊接的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的模式表明，在接頭鈦側(cè)邊緣位置，局部拉伸應(yīng)力嚴(yán)重的降低了彎曲韌性。

2. 熱量輸入計(jì)算

焊接參數(shù)和摩擦材料的性能決定著摩擦焊接熱量的輸入。在摩擦階段，熱量主要由兩摩擦面相互摩擦產(chǎn)生，并在一定程度上由材料的粘性流動(dòng)性決定。在頂鍛階段，熱量主要是由這些材料的粘性變形產(chǎn)生的，并導(dǎo)致飛邊的形成。圖顯示了摩擦焊接過程軸向推力、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給長(zhǎng)度、主軸扭矩的變化（摩擦壓力=100Mpa，進(jìn)給長(zhǎng)度=1mm）。這個(gè)過程圖很重要，因?yàn)樗o出來焊接過程是否設(shè)置輸入?yún)?shù)合適的信息。從曲線圖中可以看出，負(fù)載很明顯被分為兩個(gè)階段，即摩擦階段和頂鍛階段。主軸在摩擦階段以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，并在頂鍛開始時(shí)停止。摩擦階段焊接所需的熱量是由鈦和304L不銹鋼棒負(fù)載下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。焊接階段，曲線的位置（進(jìn)給曲線）有一個(gè)接近恒定的斜率。但是，在摩擦階段即將完成的時(shí)刻，接頭表面熱量積累，隨后溫度上升，使材料變得很軟。隨后在頂鍛階段受到較高的負(fù)載的作用，使這些較軟的材料移動(dòng)，并成為飛邊。在頂鍛階段剛剛開始時(shí)，因形成飛邊而造成的材料損失最多。由于隨著頂鍛過程的進(jìn)行，沒有更多的熱量產(chǎn)生，所以材料的損失（位置曲線）變得平整。扭矩曲線顯示在摩擦焊接過程的開始階段出現(xiàn)了一個(gè)峰值，這可能是由于最初冷而硬的的基體材料變形抗力所致。隨著焊接階段溫度逐漸上升，金屬變得松軟，扭矩緩慢降低。當(dāng)主軸即將停止，摩擦階段將要完成的時(shí)候，扭矩出現(xiàn)了另一個(gè)峰值，它可能是由于產(chǎn)熱量下降和變形抗力隨之上升，漸漸地，扭矩將在頂鍛開始階段變?yōu)闉榱恪?

3. 顯微結(jié)構(gòu)和SEM-EDS分析

焊接條件下（摩擦壓力=100Mpa，進(jìn)給長(zhǎng)度=1mm）鈦和304L不銹鋼無縫管接頭表面的光學(xué)顯微圖顯示，靠近結(jié)合面的鈦側(cè)250.0um的區(qū)域由九個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）晶粒組成。304L不銹鋼無縫管側(cè)晶粒細(xì)化是由于僅有少量的304L不銹鋼無縫管變形而無法分辨。圖顯示了在圖中被標(biāo)記為A的區(qū)域的掃描電鏡顯微圖，即，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和鈦基材料之間的界面。摩擦焊包含在接近基體材料熔點(diǎn)的較高溫度下的高塑性工作，塑性變形使材料產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)。隨著位錯(cuò)密度增加，有形成二次晶胞結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)。這些小角度顆粒旋轉(zhuǎn)形成大角度應(yīng)變自由晶粒，相對(duì)基體材料形成很細(xì)的等軸晶區(qū)，被稱為“動(dòng)態(tài)再結(jié)晶”晶粒。對(duì)圖進(jìn)一步觀察可知，變形區(qū)域的寬度從中央位置到邊緣區(qū)域增加周，這是因?yàn)檫吘墔^(qū)域的熱量產(chǎn)生率比中心位置的高。在摩擦焊接過程中，滑動(dòng)速度也從中心位置相邊緣區(qū)域增大，從而邊緣區(qū)域比中心位置經(jīng)受了更為嚴(yán)重的塑性變形，并達(dá)到更高的溫度，因此，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)的寬度相便于區(qū)域?qū)挾?。但是，由于熱?duì)流，熱量從接頭邊緣的外圍向周邊環(huán)境流失，因此產(chǎn)生的熱量最高點(diǎn)出現(xiàn)在接近接頭表面的邊緣位置。

焊后熱處理后的鈦和304L不銹鋼無縫管的界面光學(xué)顯微圖表明，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)和基體材料的的邊界比焊接條件下的平整。細(xì)密的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒已經(jīng)粗化，并逐步向母材融合。也可以在焊后熱處理后的集體金屬上觀察到一些晶粒粗粗化的想象。然而，在接頭界面沒有觀察到擴(kuò)散區(qū)，從而表明了擴(kuò)散焊后熱處理過程中沒有產(chǎn)生足夠數(shù)量的擴(kuò)散。

摩擦焊接接頭的完整性取決于金相因素，如在界面處不同元素的擴(kuò)散和界面上不同相的同時(shí)形成。為了解這些方面，需要對(duì)詳細(xì)的SEM-EDS線掃描進(jìn)行研究。焊接條件下鈦和304L不銹鋼無縫管接頭的SEM-BSE圖像和接頭界面上的SEM-EDS線掃描圖像顯示了不同元素在接頭處得分布情況。在界面處出現(xiàn)了一個(gè)由Ti、Fe和Cr組成大約10um寬的相互混合區(qū)（IMZ）。在這個(gè)相互混合區(qū)內(nèi)沒有明顯的Ni，因此這表明Fe和Cr已經(jīng)橫跨接口界面相鈦側(cè)擴(kuò)散了。在IMZ缺少鎳是由于Fe和Cr比Ni向a-Ti的擴(kuò)散速率高。

元素從304L不銹鋼向鈦擴(kuò)散到比周圍其他方式更容易，這是因?yàn)?04L不銹鋼無縫管高度合金化是結(jié)構(gòu)密集，而鈦具有相對(duì)開放的結(jié)構(gòu)。所以，很顯然上述研究說明，IMZ主要在界面鈦側(cè)形成，因?yàn)閭鹘y(tǒng)元素的擴(kuò)散可能在一定程度上是由于材料機(jī)械運(yùn)輸完成。另一方面，鈦側(cè)靠近IMZ的DRX區(qū)是由于與摩擦焊接工藝有關(guān)的熱機(jī)械變形。焊后熱處理后的鈦和304L不銹鋼無縫管接頭SEM-BSE圖像和接頭界面上的SEM-EDS線掃描圖像表明，經(jīng)過在873K下保溫15分鐘的焊后熱處理后元素分布沒有明顯變化。就目前這種情況看，應(yīng)用873K下的焊后熱處理對(duì)發(fā)生任何擴(kuò)散溫度不夠高?？傮w而言，分別觀察焊后熱處理后和焊接狀態(tài)后的微觀結(jié)構(gòu)，無顯著差異。

4. 斷口金相檢測(cè)

圖分別顯示了對(duì)焊接狀態(tài)下（摩擦壓力=100Mpa，進(jìn)給長(zhǎng)度=1mm）鈦和304L不銹鋼管試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，鈦側(cè)和304L不銹鋼管側(cè)端口的掃描電鏡顯微組織圖像。在斷裂面被上幾乎發(fā)現(xiàn)不了什么特征，這表明它是一個(gè)整體平的剝離面。觀察鈦側(cè)解理斷裂特征。盡管在304L不銹鋼管側(cè)斷裂表現(xiàn)的幾乎是平的，從圖可以清晰的看到了一些不同于304L不銹鋼無縫管基體的大塊物質(zhì)粘結(jié)在斷裂面。對(duì)斷裂面進(jìn)行SEM-EDS區(qū)域掃描顯示，鈦側(cè)有鐵存在，304L不銹鋼無縫管的有鈦存在，這表明該斷裂發(fā)生在鈦和304L不銹鋼管的IMZ，包含金屬間脆性相的位置。鈦在304L不銹鋼無縫管側(cè)所占的百分比比鐵在鈦側(cè)的百分比高。這證實(shí)，附著在304L不銹鋼無縫管的材料是鈦，并表明在彎曲試驗(yàn)時(shí)的斷裂的一些部分直接從靠近原鈦和304L不銹鋼無縫管接頭界面的組分鈦中擴(kuò)展。

5. 耐腐蝕性

按ASTMA-262PracticeC分為五個(gè)周期，每個(gè)階段48小時(shí)，在沸騰的硝酸中對(duì)鈦和304L不銹鋼管接頭進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。每個(gè)周期結(jié)束后，為了計(jì)算腐蝕速度和下一個(gè)周期所需使用的新鮮硝酸的量，對(duì)樣品體重?fù)p失進(jìn)行計(jì)算。鈦和304L不銹鋼無縫管接頭顯示了五個(gè)試驗(yàn)周期為10mpy的平均腐蝕速率。全部試驗(yàn)階段240小時(shí)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)接頭保持完整性。

三、結(jié)論

1. 選取最佳的摩擦焊接工藝參數(shù)可以產(chǎn)生出比比鈦基強(qiáng)度更高的接頭，有拉伸試驗(yàn)時(shí)，失敗發(fā)生在鈦基材料上可以得到證實(shí)；

2. 對(duì)焊接試樣進(jìn)行彎曲測(cè)試，彎曲韌性幾乎為零。焊后熱處理通過減輕接頭界面應(yīng)變硬化的影響和殘余應(yīng)力，可以稍微增加彎曲韌性至5°。即使焊后熱處理后，彎曲韌性任然很低可以證實(shí)，接頭處存在第二金屬間脆性化合物相是導(dǎo)致彎曲韌性比較差的原因；

3. 對(duì)顯微硬度剖面分析證實(shí)，焊接狀態(tài)下接頭表面附近鈦出現(xiàn)了應(yīng)變硬化現(xiàn)象和焊后熱處理降低了應(yīng)變硬化的的影響；

4. 對(duì)SEM-EDS和斷口金相進(jìn)行研究證實(shí)，接頭表面相互混去區(qū)存在第二相；

5. 按ASTMA-262PracticeC在沸騰的硝酸進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)證實(shí)，接頭平均腐蝕速率為10mpy。