An investigation on the structure, property relationships of solid state welding processes in a titanium matrix composite alloy (Ti6A14V + 10 wt.% of TiC) [Elektronische Ressource] / von Antonio Augusto Monaco da Silva

Antoinomonaco

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: English
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Extrait

An Investigation on the Structure/Property Relationships of
Solid State Welding Processes in a Titanium Matrix Composite
Alloy (Ti6Al4V + 10 wt.% of TiC)

Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau
der
Universität Duisburg-Essen
zur Erlangung des akademischen Grades
DOKTOR-INGENIEUR
genehmigte Dissertation
von
Antonio Augusto Monaco da Silva
aus
Porto Alegre – Brasilien
Referent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Alfons Fischer
Korreferent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Schwalbe
Tag der mündlichen Prüfung: 26. Januar 2006
Abstract

An Investigation on the Structure/Property Relationships of Solid State Welding
Processes in a Titanium Matrix Composite Alloy (Ti6Al4V + 10 wt.% of TiC)

ABSTRACT

TiC particulate reinforced Ti6Al4V metal matrix composites (Ti6Al4V+10 wt.% TiC) have
high strength-to-weight ratio and good high temperature properties. Although this class of
composite clearly perform better than the matrix alloy itself, the successful application of
such particulate-reinforced materials depends on the availability of proven joining techniques
that can produce high quality joints. Due to the high chemical reactivity of titanium that may
lead to a chemical interaction with the reinforcing material a poor fusion welding
performance is commonly observed in these materials making solid-state diffusion bonding
and rotary friction welding potential processes to produce complex structural components.
Despite recent advances in processing and manufacturing technology of Ti6Al4V+10 wt.%
TiC there is still a lack of understanding in the solid state joining possibilities and its
microstructural changes and mechanical properties. The main objective of this work is to
investigate and analyse the feasibility of joining the particulate-reinforced composite alloy by
rotary friction welding and diffusion bonding processes. It is also aimed the determination
and establishment of the microstructure/properties relationships of the resultant welds as well
as to investigate the bonding mechanisms and understand the weldability aspects of friction
welded and diffusion bonded Ti6Al4V+10 wt.% TiC. Metallurgical characterization of both
base material and welded joints was performed using Optical and Scanning Electron
Microscope. Mechanical assessment was accomplished using tensile, microflat tensile and
fracture toughness tests.
A microstructural examination of the friction-welded joints has revealed two distinct welding
zones (transformed and recrystallized zone as well as heat affected zone); while no
metallurgical transformation has occurred in the diffusion bonding process. In the case of
rotary friction welding best results were associated with low rotational speed and low friction
pressure; while in the diffusion bonding process the best results were associated with a
bonding temperature and pressure of 1000°C and 5MPa together with bonding times ranging
from 35 and 60 minutes.
Zusammenfassung

Untersuchung des Zusammenhangs von Struktur und Eigenschaften von in fester Phase
geschweißten Titan-Matrix-Verbundwerkstoffen (Ti6Al4V + 10 Gew.-% TiC)

ZUSAMENFASSUNG

Die mit TiC verstärkten Ti6Al4V metallischen Verbundwerkstoffe (Ti6Al4V+10 Gew.-
% TiC) weisen eine hervorragende gewichtsspezifische Festigkeit, welche auch bei höheren
Temperaturen erhalten bleibt, auf. Obwohl die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe im
Vergleich zu denen der Basislegierung deutlich verbessert sind, hängt die erfolgreiche
industrielle Einführung dieser partikelverstärkten Werkstoffe hauptsächlich von der Wahl
bzw. Entwicklung eines geeigneten Fügeverfahrens ab. Dieses Verfahren muss in der Lage
sein qualitativ hochwertige Verbindungen erzeugen zu können. Aufgrund der ausgeprägten
chemischen Reaktionsfähigkeit von Titan, die zu einer unerwünschten Wechselwirkung mit
dem Verstärkungsmaterialien führen kann, ist die Leistungsfähigkeit von
Schmelzschweißverfahren in qualitativer Hinsicht nicht ausreichend. Daher eignen sich
Fügeverfahren in fester Phase wie das Diffusionsschweißen und das Rotationsreibschweißen
zur Herstellung von komplexen Komponenten.
Trotzt der jüngsten Fortschritte in der Bearbeitungs- und Produktionstechnologie von
Ti6Al4V+10 Gew.-% TiC ist das Schweißen solcher Materialien mit Fügeverfahren in fester
Phase sowie die damit verbundene Veränderung von Mikrostruktur und mechanischen
Eigenschaften nicht ausreichend untersucht worden. Die Untersuchung und Analyse von mit
Rotationsreib- und Diffusionsschweißverfahren gefügten Verbundwerkstoffen steht daher im
Fokus dieser Arbeit. Die Darstellung der Wechselbeziehung zwischen der ausgebildeten
Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften der geschweißten Verbindungen ist ein
weiteres Ziel. Ebenso erfolgt die Untersuchung der Fügemechanismen und Aspekte der
Schweißbarkeit von reib- und diffusionsgeschweißten Ti6Al4V+10 Gew.-% TiC im Rahmen
dieser Arbeit.
Die metallurgische Charakterisierung des Grundwerkstoffes und der Schweißverbindung
erfolgte sowohl mit Hilfe der optischen als auch der Rasterelektronenmikroskopie. Zur
Beurteilung und Bewertung der mechanischen Eigenschaften wurden Zug-, Mikroflachzug-
und Bruchzähigkeitsversuche durchgeführt.
Die mikrostrukturelle Untersuchung der reibgeschweißten Verbindungen zeigten zwei
ausgeprägte Zonen in der Schweißnaht. Zum einen die transformierte und rekristallisierte
Zone und zum anderen die Wärmeeinflusszone. Die diffusionsgeschweißten Verbindungen
zeigten keine metallurgischen Transformationen.
iiiAcknowledgements

ACKNOWLEDGEMENTS

I would like to thank Prof. Dr. A. Fischer, Prof. Dr. K.-H Schwalbe and Dr. J.F. dos Santos
for the supervision of this work and valuable discussions.

I would like also to thank GKSS Forschungszentrum GmbH for giving me the opportunity to
develop and perform this work and in particular to the Head of the Joining Technology
Group, Dr. Jorge Fernandez dos Santos who has always supported my work with his valuable
discussions and suggestions.

I would like to acknowledge Dr. Celso Roberto Ribeiro for his valuable contributions to the
development of this work and for his support during the accomplishment of this investigation.
I would like also to thank a number of colleagues that have helped me during this work
especially Dr. Axel Mayer for his valuable contributions and helping as well as the other
colleagues from the Joining Technology Group (GKSS – Germany) and from the Laboratório
de Metalurgia Física (LAMEF/UFRGS – Brasil).

Many thanks go to Prof. Telmo Roberto Strohaecker and Prof. Afonso Reguly from
LAMEF/UFRGS for their continuous support and valuable discussions as well for giving me
the opportunity of starting my academic research experience in LAMEF/UFRGS.

I am also in debt with Petra Fischer of the GKSS metallographic laboratory, Stefan Riekher
and Hans Mackel from the WMF group for their support in the mechanical testing as well as
Karl-Heinz Bohm for performing the diffusion bonding process. In addition, I am grateful to
Dave Dent and Gordon Blakemore from Circle Technical Services for the possibility of using
their welding system throughout the whole work. I am also in debt to Susan Abkowitz from
Dynamet Technology Inc. for the donation of the composite base material.

Special thanks goes to my Brazilian family, Marcos, Cecilia, Fernanda, Wilma, Lorena,
Tanane, Marco, Rafa and Tati as well as to my Spanish family, Eva, Mila, Javier, Maite and
Liher for their great support during these years.

iv Contents

CONTENTS
ABSTRACT .............................................................................................................................II
ZUSAMENFASSUNG .......................................................................................................... III
ACKNOWLEDGEMENTS...................................................................................................IV
1 INTRODUCTION ............................................................................................................ 1
2 STATE OF ART ............................................................................................................... 5
2.1 General Metal Characteristics...................................................................................................5
2.2 Phases and Structures of Titanium and its Alloys ..........................................