Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The technological process of fabrication products from titanium alloys is often complicated by low quality of welded joints during electric arc or gas-flame welding operations due to high residual stresses and deformations. An example of a successful solution to this problem is the development and implementation of such high-tech processes of metal joining as friction stir welding, which does not refer to the methods of fusion joining. Friction stir welding as an advanced technology is used to obtain joints of “soft” metallic materials, such as aluminum. For “hard” metallic materials, friction stir welding has been limited due to the high demands on welding tools. The aim of this work is investigation of the possibility of using a tool made of the nickel-based heat-resistant alloy ZhS6U in friction stir welding of the titanium alloy Ti-5Al-3Mo-1V. Results and discussion. Optical and scanning electron microscopy results revealed that the structure of the weld is typical of this type of welding, gradient, consisting of a heat-affected zone, thermo-mechanical affected zone and a stir zone with a fragmented structure. When varying welding parameters, it is shown that the defectiveness of the weld is affected to a greater extent by the axial load on the tool, which is caused by a significant difference in the thermal effect on the material. Metallographic analysis methods revealed dissolution of welding tool material fragments in the stir zone of the non-detachable joint. Fractographic analysis of the fracture surface shows that the fracture in the weld zone is ductile, although in this case there are brittle bridges. Varying the parameters of friction stir welding made it possible to obtain an indissoluble joint with at least 90 % of the strength of the base metal.

About the authors

A. I. Amirov

Email: amirov@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, amirov@ispms.tsc.ru

E. N. Moskvichev

Email: em_tsu@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, em_tsu@mail.ru

A. N. Ivanov

Email: ivan@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, ivan@ispms.tsc.ru

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

V. A. Beloborodov

Email: vabel@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vabel@ispms.tsc.ru

References

  1. A systematic review of fatigue behaviour of laser welding titanium alloys / V. Paranthaman, V. Dhinakaran, M. Swapna Sai, A. Devaraju. // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 19, pt. 1. – P. 520–523. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.08.249.
  2. Investigation of tensile and high cycle fatigue failure behavior on a TIG welded titanium alloy / D. Ren, Y. Jiang, X. Hu, X. Zhang, X. Xiang, K. Huang, H. Ling // Intermetallics. – 2021. – Vol. 132. – P. 107115. – doi: 10.1016/j.intermet.2021.107115.
  3. Very long life fatigue failure mechanism of electron beam welded joint for titanium alloy at elevated temperature / F. Liu, Y. Chen, C. He, C. Wang, L. Li, Y. Liu, Q. Wang // International Journal of Fatigue. – 2021. – Vol. 152. – P. 106446. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106446.
  4. Gangwar K., Ramulu M. Friction stir welding of titanium alloys: a review // Materials and Design. – 2018. – Vol. 141. – P. 230–255. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.12.033.
  5. Fatigue properties of friction stir welded joint of titanium alloy / F. Gao, Y. Guo, S. Yang, Y. Yu, W. Yu // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 793. – P. 139819. – doi: 10.1016/j.msea.2020.139819.
  6. Mironov S., Sato Y.S., Kokawa H. Friction-stir welding and processing of Ti-6Al-4V titanium alloy: A review // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34, iss. 1. – P. 58–72. – doi: 10.1016/j.jmst.2017.10.018.
  7. Raut N., Yakkundi V., Vartak A. A numerical technique to analyze the trend of temperature distribution in the friction stir welding process for titanium Ti 6Al 4V // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 41, pt. 2. – P. 329–334. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.09.336.
  8. Nirmal K., Jagadesh T. Numerical simulations of friction stir welding of dual phase titanium alloy for aerospace applications // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 46, pt. 10. – P. 4702–4708. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.10.300.
  9. Evolution of microstructure, texture and mechanical properties of special friction stir welded T-joints for an α titanium alloy / Y. Su, W. Li, X. Liu, F. Gao, Y. Yu, A. Vairis // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 177. – P. 111152. – doi: 10.1016/j.matchar.2021.111152.
  10. Microstructure evolution of friction stir welding of Ti6321 titanium alloy based on the weld temperature below microstructure transformation temperature / F. Gao, Y. Guo, W. Yu, P. Jiang, Z. Liao // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 177. – P. 111121. – doi: 10.1016/j.matchar.2021.111121.
  11. Eliminating the cavity defect and improving mechanical properties of TA5 alloy joint by titanium alloy supporting friction stir welding / S. Du, H. Liu, M. Jiang, Y. Hu, L. Zhou // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 69. – P. 215–222. – doi: 10.1016/j.jmapro.2021.07.044.
  12. Liu H., Fujii H. Microstructural and mechanical properties of a beta-type titanium alloy joint fabricated by friction stir welding // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 177. – P. 140–148. – doi: 10.1016/j.msea.2017.11.006.
  13. A specific analytical study of friction stir welded Ti-6Al-4V grade 5 alloy: stir zone microstructure and mechanical properties / N. Raut, V. Yakkundi, V. Sunnapwar, T. Medhi, V.K.S. Jain // Journal of Manufacturing Processes. – 2022. – Vol. 76. – P. 611–623. – doi: 10.1016/j.jmapro.2022.02.036.
  14. Microstructure and mechanical properties of friction stir processed TA5 alloy / L. Zhou, M. Yu, W. Chen, Z. Zhang, S. Du, H. Liu, Y. Yu, F. Gao // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2021. – Vol. 31, iss. 2. – P. 404–415. – doi: 10.1016/S1003-6326(21)65505-X.
  15. An overview on friction stir welding/processing tools / P. Maji, R. Karmakar, R. Kanti Nath, P. Paul // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 58, pt. 1. – P. 57–64. – doi: 10.1016/j.matpr.2022.01.009.
  16. The heat treatment improving the mechanical and fatigue property of TA15 alloy joint by friction stir welding / X. Xu, Q. Liu, J. Wang, X. Ren, H. Hou // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 180. – P. 111399. – doi: 10.1016/j.matchar.2021.111399.
  17. Friction stir welding of Ti-6Al-4V alloy: Friction tool, microstructure, and mechanical properties / J. Li, Y. Shen, W. Hou, Y. Qi // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 344–354. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.08.025.
  18. Microstructure evolution and mechanical characterization of friction stir welded titanium alloy Ti–6Al–4V using lanthanated tungsten tool / P.M. Mashinini, I. Dinaharan, J. David Raja Selvam, D.G. Hattingh // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 139. – P. 328–336. – doi: 10.1016/j.matchar.2018.03.020.
  19. The performance of a Co-based alloy tool in the friction stir welding of TA5 alloy / S. Du, H. Liu, M. Jiang, L. Zhou, F. Gao // Wear. – 2022. – Vol. 488–489. – P. 204180. – doi: 10.1016/j.wear.2021.204180.
  20. Vardak S., Shatooti S., Zangeneh S. Manufacturing of porous titanium using friction stir welding // Materials Letters. – 2022. – Vol. 310. – P. 131430. – doi: 10.1016/j.matlet.2021.131430.
  21. Evolution of microstructure and texture in the stir zone of commercially pure titanium during friction stir processing / A. Kumar Singh, L. Kaushik, J. Singh, H. Das, M. Mondal, S.-T. Hong, S.-H. Choi // International Journal of Plasticity. – 2022. – Vol. 150. – P. 103184. – doi: 10.1016/j.ijplas.2021.103184.
  22. Wear of ZhS6U nickel superalloy tool in friction stir processing on commercially pure titanium / A. Amirov, A. Eliseev, E. Kolubaev, A. Filippov, V. Rubtsov // Metals. – 2020. – Vol. 10 (6). – P. 799. – doi: 10.3390/met10060799.
  23. Amirov A.I., Chumaevskii A.V., Vorontsov A.V. Formation of (α + β) titanium welds by friction stir welding using heat-resistant alloy tool // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2310 (1). – P. 020017. – doi: 10.1063/5.0034654.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».