航空发动机是飞机的心脏,提高发动机推重比,能够大幅提升发动机整体性能。在发动机运行过程中,涡轮叶片和轮盘所处的温度和应力状态是不同的。轮盘部位因在较低的温度下承受大的拉应力而要求具有高强度、高塑性和高的低周疲劳性能,叶片部位因工作温度高、承受应力小而要求具有高的高温蠕变抗力和断裂韧性,因此需要同时满足叶片和轮盘的不同力学性能,即双性能。由于TC11合金工作温度高,TC17合金承受应力大,所以TC11合金作为叶片,而TC17合金作为叶盘,以此制得的双合金-双性能整体叶盘,能够最大程度发挥两种材料各自性能优势。线性摩擦焊接(LFW)以其优质、高效、节能等优点,已成为异种材料整体叶盘制造与修复不可替代的技术。基于数值模拟与实验相结合的方法,研究了TC11/TC17 LFW过程接头温度场、应力-应变场、应变硬化行为及低周疲劳特性,获得了这两种材料优化的焊接参量。并从机理上探讨了焊接接头微观组织、力学性能等的转变机制,对其他异种材料线性摩擦焊接的研究具有重要的借鉴价值,并对TC11/TC17这两种材料LFW接头的使用具有重要的理论指导意义。本文主要研究内容和结论如下:采用Abaqus有限元软件,建立了TC11/TC17钛合金LFW二维刚塑性热力耦合有限元模型,研究了TC11/TC17异种钛合金LFW过程各个阶段温度场、轴向缩短量及应力-应变场变化规律,并分析了焊接接头飞边形貌的形成机制。结果表明:摩擦初始阶段,最高温度出现在摩擦界面端部距离边缘一个振幅范围处,几乎没有轴向缩短量发生;过渡阶段,最高温度快速转移到界面中心区域,轴向缩短量缓慢增加;准稳定阶段,温度和轴向缩短量都快速增加,升温速率和轴向缩短速率趋于稳定,塑性金属快速被挤出界面而形成飞边;顶锻阶段,界面中心及附近区域温度下降速率明显高于飞边处,几乎没有塑性变形发生。在焊接过程,焊件外缘与飞边连接部位在X轴方向受到向外的拉应力,Y轴方向受到向上的拉应力,导致塑性金属向摩擦界面外部运动,挤出界面后形成向上的飞边。基于所建立的模型,研究了振动频率、摩擦压力和振幅等焊接参数变化时,接头温度场、轴向缩短量和应力-应变场的演变规律,揭示了焊接参数对TC11/TC17钛合金LFW接头飞边形貌的变化机理,并建立了焊接能量与轴向缩短量关系模型,可用于定性评价TC11/TC17钛合金LFW接头质量。研究表明:随振动频率、摩擦压力和振幅增加,飞边处被挤出的热塑性金属量和轴向缩短量都剧烈增加,而摩擦界面高温热塑性金属区厚度减少;Y轴方向,摩擦界面处塑性应变区域宽度逐渐减小;X轴方向,飞边处塑性应变区域逐渐增大。基于线性摩擦焊产热机理,建立了焊接能量与轴向缩短量之间的数学模型。研究表明:单侧轴向缩短量与焊接能量之间呈线性关系,随焊接能量增加,TC11侧轴向缩短量(斜率4.06)明显高于TC17侧(斜率1.80),对工程选材有重要的指导意义。采用光镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等分析手段研究了焊接参数对TC11/TC17钛合金LFW接头微观组织与拉伸性能的影响规律,并探讨了焊缝区沉淀相与基体间的晶体学特征。研究结果表明:随振动频率、摩擦压力和振幅增加,焊接接头焊缝区宽度均逐渐变窄,微观组织未发生明显变化。TC11侧焊缝区存在大量细小的针状马氏体,而TC17侧焊缝区主要由粗大的?晶粒组成,同时伴有少量马氏体沉淀相,沉淀相以三种变体形式存在。当焊接能量在2.4×107~3.36×107 W/m2时,接头拉伸强度和延伸率略高于TC11侧母材,试样均断裂于TC11母材上,以韧性断裂为主,断口呈现出大量韧窝与少量撕裂棱,结合数值模拟结果和实际工况,得到最佳焊接参数为:振动频率40 Hz,振幅3 mm,摩擦压力50 MPa。针对优选接头,系统研究了该接头在应变速率为10-2~10-5 s-1,总应变幅为0.2%~1.2%时,焊接接头应变硬化行为和低周疲劳特性,探讨了应变速率对TC11/TC17LFW接头拉伸强度及应变硬化等行为的影响机制,建立了疲劳寿命与应变幅之间相互关系的数学模型,阐明了接头疲劳软化和断裂机理。研究结果表明:随应变速率增加,接头屈服强度、抗拉强度和应变硬化速率增加,而延伸率、硬化能力和应变硬化指数降低。低应变幅(0.2%~0.7%)时,应力幅、塑性应变幅和弹性模量等在循环过程中都基本保持常量;高应变幅(0.8%~1.2%)时,焊接接头发生软化行为。该研究成果对实际工程中接头强度设计及疲劳寿命预测有重要的理论意义和应用价值。