Ti-Al異種合金激光熔釬焊工藝與連接機(jī)理.pdf

1、鈦合金和鋁合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)在航空、航天和汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，但是由于熱物理化學(xué)性能的巨大差異，使二者之間的焊接一直存在著很大的困難。抑制金屬間化合物的形成是Ti/Al異種合金焊接的主要問題。
　　本文采用激光熔釬焊方法，利用激光能量的精確可控性有效地限制了金屬間化合物的厚度，獲得了具有熔焊與釬焊雙重特性的復(fù)合型接頭，實(shí)現(xiàn)了Ti/Al異種合金的可靠連接。本文全面地研究了Ti/Al異種合金激光熔釬焊特性，闡明了影響焊縫成形

2、、界面反應(yīng)、接頭力學(xué)性能的本質(zhì)因素，為焊接接頭的質(zhì)量控制提供了依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，首次實(shí)現(xiàn)了在快速加熱和冷卻的熱循環(huán)條件下反應(yīng)層厚度的準(zhǔn)確計(jì)算。同時(shí)，本文的該研究成果對其它的異種合金的焊接也具有普遍的借鑒意義。
　　本文以5A06鋁合金和Ti-6Al-4V鈦合金為母材；考慮到Si元素可有效地抑制Ti/Al界面反應(yīng)的冶金特性，選用Al-12Si焊絲作為填充材料；采用CO2激光為熱源對激光熔釬焊工藝特性進(jìn)行研究。針對激光局部加熱、高溫停

3、留時(shí)間短等特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了光斑模式（圓形、矩形）、輻照位置、坡口形式等對焊縫成形與接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用能量均勻分布的矩形光斑配合V形坡口形式，一方面大大提高了焊接過程的穩(wěn)定性，能夠獲得雙面成形良好的焊縫；另一方面解決了由于激光局部加熱的高溫度梯度導(dǎo)致的界面反應(yīng)層在板材厚度方向上不均勻分布的缺點(diǎn)，促進(jìn)了界面反應(yīng)的均勻化，使得界面結(jié)合強(qiáng)度可高于焊縫，接頭平均抗拉強(qiáng)度為278Mpa，比現(xiàn)有研究成果提高39％。
　　通過

4、微區(qū)XRD衍射分析、SEM和TEM電子顯微研究精確鑒定了反應(yīng)層物相組成，描述了界面反應(yīng)層的微觀組織特征。界面反應(yīng)層主要由極薄連續(xù)反應(yīng)層和鋸齒狀非連續(xù)反應(yīng)層組成，其物相分別為納米顆粒Ti7Al5Si12和TiAl3。若鈦發(fā)生微熔，界面反應(yīng)會變得極為復(fù)雜，將會出現(xiàn)固態(tài)相變、共晶、亞共晶、過共晶等多種類型反應(yīng)層，主要物相結(jié)構(gòu)為TiAl3、TiAl、Ti3Al和Ti5Si3。
　　基于界面物相精確鑒定、元素?cái)U(kuò)散行為分析、化合物形成自由能的

5、計(jì)算分析和界面微觀組織演變的物理模擬分析，揭示了界面反應(yīng)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)Si元素在界面反應(yīng)過程的明顯的偏聚效應(yīng)對界面反應(yīng)產(chǎn)物的形成具有重要影響。以Miedema生成熱模型為基礎(chǔ)建立了三元合金系化學(xué)勢的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了Ti-Al-Si三元合金系Si元素化學(xué)勢的計(jì)算，闡明了硅元素在界面反應(yīng)過程中發(fā)生偏聚的本質(zhì)原因。通過物理模擬的結(jié)果證實(shí)了TiAl3反應(yīng)層是由溶解的母材通過結(jié)晶的方式形成，而Ti7Al5Si12是依賴于反應(yīng)擴(kuò)散通過界面化學(xué)反應(yīng)形成。

6、
　　針對于激光熔釬焊過程溫度的瞬間變化特點(diǎn)，結(jié)合界面反應(yīng)機(jī)理的研究結(jié)果，綜合考慮通過結(jié)晶形成的TiAl3和界面反應(yīng)形成的Ti7Al5Si12兩方面對反應(yīng)層厚度的貢獻(xiàn)，建立了溫度瞬間變化的熱循環(huán)條件下界面反應(yīng)層厚度的計(jì)算模型。實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)層厚度的準(zhǔn)確計(jì)算，證明在激光熔釬焊條件下鈦合金母材溶解之后通過金屬間化合物的結(jié)晶才是反應(yīng)層的主要組成部分，與傳統(tǒng)釬焊反應(yīng)層成長理論存在本質(zhì)不同。進(jìn)一步，通過有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算了界面不同位置的熱循