原位鈦基復(fù)合材料的焊接工藝與機(jī)理研究.pdf

1、非連續(xù)增強(qiáng)型鈦基金屬復(fù)合材料，尤其是原位自生TiB/Ti鈦基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度和良好抗高溫、耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，日益得到廣泛應(yīng)用。但除價(jià)格高因素之外，其加工為結(jié)構(gòu)件的能力，尤其是焊接工藝一直是阻礙該類材料發(fā)展的主因，也是該類材料工程應(yīng)用上必須解決的關(guān)鍵問題之一。因此，研究和解決鈦基復(fù)合材料焊接性問題對(duì)其工程應(yīng)用與推廣意義重大。
　　從原位自生成鈦基復(fù)合材料特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，本文以(TiB+La2O3)/Ti鈦基復(fù)合

2、材料為研究對(duì)象，采用鎢極氬弧焊、脈沖鎢極氬弧焊和激光焊三種熔化焊方法研究了鈦基復(fù)合材料的焊接性。利用金相觀察、X射線衍射、掃描和透射電鏡分析、拉伸試驗(yàn)及硬度測(cè)試等方法，研究了焊接接頭形成機(jī)制、增強(qiáng)體在焊縫中的存在形態(tài)與分布規(guī)律，并對(duì)焊接接頭的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:
　　在對(duì)(TiB+La2O3)/Ti鈦基復(fù)合材料薄板進(jìn)行熔化焊接時(shí)，焊接熱輸入量對(duì)焊縫成形質(zhì)量有很大的影響。隨焊接熱輸入增加，焊縫熔深、熔寬及背寬比均

3、增加，在合理工藝參數(shù)下，接頭具有較穩(wěn)定的焊縫成形系數(shù)，焊縫成形均勻美觀。但因?yàn)槲词褂煤附z對(duì)熔池進(jìn)行熔融金屬的補(bǔ)充，過多熱輸入則導(dǎo)致燒穿、表面凹陷等焊接缺陷的形成，而過小熱輸入則會(huì)產(chǎn)生未焊透、氣孔等焊接缺陷。采用脈沖焊時(shí)，可以減少熱輸入，提高焊縫成形系數(shù)，同時(shí)選用合適脈沖頻率，細(xì)化焊縫組織，增強(qiáng)對(duì)熔池?cái)嚢枳饔茫纳平饘倭鲃?dòng)性，獲得完美魚鱗狀焊縫。因?yàn)榧す夂傅臒彷斎肓孔钚?，冷卻速度極快，在合理的焊接工藝參數(shù)下獲得光滑、均勻連續(xù)和狹窄的“X”

4、形狀焊縫，接頭變形小。試驗(yàn)證明，在滿足良好焊縫成形的基礎(chǔ)上，鈦基復(fù)合材料的焊接宜選取熱輸入量較小的焊接工藝參數(shù)。
　　在焊接熱循環(huán)作用下，鈦基復(fù)合材料焊接接頭分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材三個(gè)特征區(qū)。焊縫具有典型的交互結(jié)晶、外延擇優(yōu)生長(zhǎng)的凝固特點(diǎn)，表現(xiàn)為柱狀晶組織。熱影響區(qū)在靠近熔合線的區(qū)域因基體處于過熱狀態(tài)而形成粗晶區(qū)，而遠(yuǎn)離熔合線的熱影響區(qū)則幾乎未有變化。進(jìn)一步研究表明，鈦基復(fù)合材料接頭焊縫和靠近熔合線的熱影響區(qū)組織完全由針狀馬氏

5、體α'組成，而離熔合線較遠(yuǎn)的熱影響區(qū)則形成α'馬氏體和初始α相的混合組織，在距母材近的熱影響區(qū)則未發(fā)生任何相變。另外，隨焊接熱輸入增加，針狀馬氏體組織的方向性變差，其分布也更加密集和散亂，這有利于接頭的性能。研究還發(fā)現(xiàn)，焊接熱輸入對(duì)接頭中增強(qiáng)體TiB的形成、尺寸及分布具有重要的影響。在焊縫熔化區(qū)和熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)區(qū)域，TiB顯著得到細(xì)化，并重新分布在β柱狀晶晶界上形成獨(dú)特的網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)，這有利于接頭室溫和高溫性能。在距熔合線較遠(yuǎn)的熱影

6、響區(qū)中的TiB受焊接熱作用較小，只有少部分改變了尺寸與形狀，分布均勻性有所增加，而在距母材區(qū)很近的熱影響區(qū)TiB保留了與母材中類似的形貌特征。
　　不同焊接方法所制備的鈦基復(fù)合材料接頭焊縫和熱影響區(qū)硬度均高于母材的，并在焊縫區(qū)達(dá)到了峰值，而且硬度沿著從焊縫到母材方向呈階梯式連續(xù)下降，這和焊縫組織的不均勻性有關(guān)。同時(shí)，鈦基復(fù)合材料焊接接頭具有優(yōu)良的室溫抗拉強(qiáng)度，不低于母材強(qiáng)度的85％，激光焊時(shí)幾乎可以達(dá)到與母材等強(qiáng)匹配的強(qiáng)度，但塑性