異質(zhì)金屬摩擦焊及其大變形超擴(kuò)散行為研究.pdf

1、摩擦焊是解決異質(zhì)材料連接最具潛力的方法，在新一代飛機(jī)、火箭、艦載設(shè)備等制造中有十分重要的需求。異質(zhì)摩擦焊接頭工藝和冶金質(zhì)量的可靠性與穩(wěn)定性一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。其中，反應(yīng)組配金屬間化合物的控制，固溶組配固溶厚度的控制，焊接性差的組配焊接性的獲得，這些冶金學(xué)問題都是異質(zhì)金屬摩擦焊質(zhì)量穩(wěn)定性面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)均涉及一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題，即摩擦焊大變形過程中的界面原子擴(kuò)散行為。
　　本文針對(duì)典型的軟/硬異質(zhì)組配(Al-SUS、Al-TC

2、4及Mg-SUS)，開展了攪拌摩擦焊工藝的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，討論了軟/硬異質(zhì)金屬組配的界面冶金結(jié)合機(jī)制與擴(kuò)散行為。設(shè)計(jì)了不同相溶性的異質(zhì)純金屬互擴(kuò)散偶，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)摩擦焊大變形實(shí)驗(yàn)，探索了原子的擴(kuò)散規(guī)律和微觀機(jī)制，分析了擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)變速率的相互關(guān)系，構(gòu)建了熱力耦合超擴(kuò)散和變形激活擴(kuò)散的具體表征?；谟行囟?，對(duì)材料在大變形熱力耦合過程中非平衡組織演變規(guī)律提出新的解釋。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　首先，設(shè)計(jì)切削攪拌針，進(jìn)行性能差異較大

3、的軟/硬異質(zhì)金屬Al-SUS、Al-TC4和Mg-SUS的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)研究，成功驅(qū)動(dòng)了界面摩擦焊大變形機(jī)制，獲得了優(yōu)化的焊接工藝，使接頭達(dá)到與較軟母材等強(qiáng)。通過界面形貌觀測(cè)及成分分析，揭示了軟/硬異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊的界面結(jié)合機(jī)理，即，界面兩側(cè)金屬相互穿插的機(jī)械咬合機(jī)理，以及界面存在互擴(kuò)散層和非晶相的冶金結(jié)合機(jī)理。通過與平衡態(tài)熱激活擴(kuò)散研究比較，發(fā)現(xiàn)了Al-SUS、Al-TC4互溶與反應(yīng)組配的攪拌摩擦焊過程中，存在界面原子的超擴(kuò)散現(xiàn)象，

4、其中Al-SUS接觸界面Al-Fe擴(kuò)散層厚度介于1~3.5μm，計(jì)算表明Al-Fe擴(kuò)散速率為相同溫度熱激活擴(kuò)散速率的104倍。在Mg-Fe(Mg-SUS組配)完全不互溶體系中也發(fā)現(xiàn)了原子的互擴(kuò)散現(xiàn)象。
　　其次，在發(fā)現(xiàn)摩擦焊大變形過程中的原子超擴(kuò)散現(xiàn)象的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建了類似旋轉(zhuǎn)摩擦焊的摩擦焊大變形物理模擬裝置，利用高速攝像、紅外熱成像以及自制的力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等搭建測(cè)試平臺(tái)。以此模擬裝置的物理模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從擴(kuò)散的熱激活影響角度，設(shè)

5、計(jì)以異質(zhì)互擴(kuò)散偶(完全互溶體系Cu-Ni，互不相溶體系Mg-Ti、Cu-Fe(摩擦焊溫度下不相溶)，和反應(yīng)體系Cu-Al)為研究對(duì)象進(jìn)行摩擦焊大變形模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)觀測(cè)了界面微觀形貌和原子擴(kuò)散行為。上述擴(kuò)散組配均獲得了界面結(jié)合良好的接頭，其中，Cu-Ni完全互溶體系與Cu-Al反應(yīng)體系的界面出現(xiàn)了寬度較大的擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層呈現(xiàn)顏色漸變(前者)或分層(后者)過渡的特點(diǎn)，體現(xiàn)了熱激活擴(kuò)散與變形激活擴(kuò)散的耦合促進(jìn)作用；對(duì)Mg-Ti、Cu-Fe不

6、互溶體系，界面過渡區(qū)域不明顯，但仍發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)散層，因其熱激活擴(kuò)散的作用微乎其微，這種擴(kuò)散層的存在與界面結(jié)合良好的現(xiàn)象體現(xiàn)了變形激活擴(kuò)散機(jī)制的貢獻(xiàn)。分別獲得了Cu-Ni、Cu-Fe和Mg-Ti組配在不同應(yīng)變速率條件下的擴(kuò)散系數(shù)。
　　再次，通過不同應(yīng)變速率ε對(duì)Cu-Ni、Cu-Fe和Mg-Ti體系熱力耦合超擴(kuò)散系數(shù)Ds影響規(guī)律的分析，獲得了Ds與ε間的線性關(guān)系模型，即y=A+Bx，經(jīng)外推可得到摩擦焊大變形過程中的熱激活擴(kuò)散的貢獻(xiàn)，即公

7、式中A部分，而Bx部分即可以認(rèn)為是摩擦焊大變形過程中的變形激活擴(kuò)散的貢獻(xiàn)?；谀Σ梁复笞冃芜^程的溫度場(chǎng)分布，分析、評(píng)價(jià)熱激活擴(kuò)散對(duì)熱力耦合超擴(kuò)散的影響，進(jìn)而分析變形激活擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)變速率的關(guān)系，并在Bellon變形激活擴(kuò)散系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，獲得了熱力耦合超擴(kuò)散系數(shù)Ds、形激活擴(kuò)散系數(shù)Db的具體表征，即：Ds(T,ε)=Dt+Db和Db=K2ε，建立了摩擦焊大變形界面原子擴(kuò)散的理論模型。
　　最后，對(duì)以絕對(duì)零度(環(huán)境)為基準(zhǔn)的Lun