ZL101-TiB2復(fù)合材料激光焊接性及TiB2粒子行為研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有密度低，比強(qiáng)度和比模量高，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，耐高溫、耐疲勞和耐磨損等許多優(yōu)良的性能，成為國防、航天、航空、汽車、儀表、電子器件制造領(lǐng)域最具有應(yīng)用前景的材料之一。在相同體積分?jǐn)?shù)和基體時(shí)，原位生成TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐磨性均高于一般的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊接性問題，阻礙了它在上述領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。關(guān)于TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接性研究，尤其是TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光焊接研究很少

2、被涉及?；诖?，本文開展了TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光焊接研究，采用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接性及TiB2粒子在熔池中的遷移行為，揭示在激光焊接非平衡快速凝固過程中，激光與增強(qiáng)相粒子相互作用行為，TiB2粒子的穩(wěn)定性及與凝固界面的相互作用，TiB2粒子的遷移軌跡及其在焊縫中分布特征等，為TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接和TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　論文采用大功率激光

3、器進(jìn)行了厚度為6mm的ZL101/TiB2復(fù)合材料的焊接。通過對焊縫微觀組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫組織晶粒明顯細(xì)化，TiB2粒子分布趨于均勻。焊縫的拉伸強(qiáng)度、磨損性能及硬度均高于母材，焊縫性能提高的主要原因是由于焊縫中TiB2分布均勻化及晶粒組織細(xì)化。增強(qiáng)相顆粒的均勻化對硬度的貢獻(xiàn)較大，而晶粒細(xì)化和溶質(zhì)Si原子的固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)較小。
　　論文分析了激光焊接過程中TiB2粒子的穩(wěn)定性，TiB2粒子不會直接吸收激光能量而發(fā)生熔化

4、現(xiàn)象，而是被汽化的Al等離子體推到小孔周圍的熔池內(nèi)部。那些處在小孔邊緣的粒子，在激光持續(xù)作用下，會發(fā)生斷裂或被氧化。斷裂的TiB2粒子形態(tài)并沒有發(fā)生明顯變化，被氧化的TiB2粒子氧化產(chǎn)物為TiO2和B2O3，B2O3汽化逸出熔池，TiO2則殘留在焊縫中。TEM分析顯示，在焊縫凝固后，TiB2粒子與Al基體以原子直接結(jié)合，結(jié)合界面上無任何雜質(zhì)。
　　論文研究了激光焊接熱輸入對熔池的凝固過程的影響，揭示了熔池凝固過程對焊縫粒子分布及共

5、晶Si形態(tài)的影響規(guī)律。焊接線能量對復(fù)合材料焊縫晶粒尺寸影響較小。隨著線能量的增大，焊縫中TiB2的分布變得更加彌散，TiB2團(tuán)簇尺寸逐漸減小。計(jì)算了在線能量為180J/mm時(shí)，熔池凝固界面前沿推移的TiB2團(tuán)簇臨界半徑為1.9μm。當(dāng)粒子團(tuán)簇半徑大于臨界半徑時(shí)，粒子被凝固界面吞沒；當(dāng)粒子團(tuán)簇尺寸小于臨界半徑時(shí)，則粒子被推移，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)效果相吻合。
　　基于流體動力學(xué)、熱力學(xué)理論，構(gòu)建了焊接熔池流體流動的數(shù)值分析模型和復(fù)合材料粒

6、子分布的物理模型，模擬分析了復(fù)合材料激光焊接時(shí)的熔池溫度場、流場以及小孔動態(tài)變化，揭示了TiB2粒子在熔池中的遷移規(guī)律。模擬結(jié)果表明，熔池內(nèi)流體的流動速度在穿透焊接時(shí)大于非穿透焊接時(shí)流體的速度，表明穿透焊接情況下流體運(yùn)動比較劇烈。小孔未穿透工件之前，流體的速度向上向后，小孔穿透工件之后，流體的速度向下向后，呈逸出熔池趨勢。在小孔穿透工件后，在熔池內(nèi)流動形成兩個(gè)對流環(huán)，小孔中心位置以上的流體整體向上流動，在小孔中心位置以下的流體向下流動。