钛/铝异种金属搅拌摩擦钎焊工艺研究

摘要

近年来，Ti/Al复合构件在工程领域中应用广阔，传统的Ti/Al搅拌摩擦焊接由于易产生脆性的Ti-Al金属间化合物，难以获得良好性能的接头。因此本文利用搅拌摩擦焊接技术，通过添加钎料Zn和Ni实现了2mm的6082铝合金和1mm的TC4钛合金的搅拌摩擦钎焊搭接，系统研究工作主要包括添加钎料的钛/铝异种金属搅拌摩擦钎焊搭接工艺研究、对接头焊后热处理研究和界面金属间化合物的形成机理。 首先，实现了Ti/Al搅拌摩擦钎焊工艺研究，研究了添加钎料Zn和Ni时Ti/Al搅拌摩擦钎焊在不同焊接工艺参数（钎料厚度、搅拌头转速、焊接速度）下的焊缝横截面形貌、微观组织以及接头的剪切强度和断裂行为。研究结果表明：添加Zn时，随着搅拌头转速的增加，接头的失效载荷也随之增大；当焊速增大和钎料Zn厚度增加时，接头的失效载荷均先增大后减小；当转速为1600rpm，焊速为60mm/min，钎料Zn为0.05mm厚时，接头的失效载荷最高，为5.55KN，此时焊接界面所存在的Hook钩起到了焊缝互锁的作用，发现铝合金中有Zn颗粒的存在，中心区域生成为ZnAl固溶体，无Ti-Al金属间化合物生成，而Ti-Al金属间化合物较易在边缘区域生成；添加钎料Ni时，随着转速的增大，接头的失效载荷先增大后减小，当转速为1200rpm时，接头的失效载荷最大，为5.12KN，此时在界面中心处形成了两层颜色不同的中间层，经过XRD分析确定颜色浅的为Al3Ni2金属间化合物层，颜色较深的为Ni钎料层；钎料的加入，使得接头断裂方式由脆性断裂向韧性+脆性混合型断裂过渡转变；由于晶粒细小而使焊核区硬度最高，高于热机影响区，其次是母材区，热影响区最小。 其次，在焊后热处理工艺研究中，研究了热处理温度和保温时间对界面金属间化合物厚度和接头最大失效载荷的影响。研究表明：当经过焊后热处理，界面金属间化合物的厚度随着热处理温度的升高和保温时间的延长而增加，接头的失效载荷均呈先增大后减小的趋势，较未热处理的接头提高了很多，添加Zn的接头由5.55KN提高到6.98KN，添加钎料Ni的接头由5.12KN提高至5.98KN。 最后采用热力学和动力学的方法对焊接界面各金属间化合物的种类、生成顺序以及生长动力学模型进行了研究。研究发现：当添加钎料Zn时，Ti-Zn-Al焊接界面最先生成ZnAl固溶体，在573-673K温度之间先后反应的顺序为TiAl2→TiAl3→TiAl→AlZn；添加钎料Ni时，Ti-Ni-Al焊接界面最先生成Al3Ni2金属间化合物，在776K以下，Ti-Ni-Al焊接界面金属间化合物形成的顺序是Al3Ni2→TiNi→TiAl→Ti3Al，776K以上，其生成顺序为Al3Ni2→TiNi→Ti3Al→TiAl；Ti-Zn-Al和Ti-Ni-Al焊接界面上各金属间化合物的吉布斯自由能均随着温度的升高而升高，其增长都符合抛物线增长规律，生长动力学模型分别为W=1.82×10-6m2·s-1×e-62.98(KJ/mol)/RTt1/2和W=3.26×10-6m2·s-1×e-72.09(KJ/mol)/RTt1/2；金属间化合物层的厚度与热输入成正比，即热输入越大，中间层越厚。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 异种金属搅拌摩擦钎焊

1.2.1 搅拌摩擦钎焊原理

1.2.2 国内外研究现状

1.3 钛/铝焊接国内外研究现状

1.3.1 扩散焊

1.3.2 钎焊

1.3.3 熔钎焊

1.3.4 搅拌摩擦焊

1.4 异种金属焊接的特点

1.5 本课题研究目标与内容

1.6 课题创新点

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.1.1 母材

2.1.2 中间钎料

2.2 实验设备

2.2.1 搅拌摩擦焊机

2.2.2 搅拌头

2.2.3 其他实验仪器

2.3 焊接实验方法

2.3.1 实验方案

2.3.2 焊接工艺实验

2.3.3 焊后热处理实验

2.3.4 试样制作及观察

2.3.5 接头力学性能实验

第三章 焊接工艺参数对Ti/Al异种金属FSB接头组织和性能的影响

3.1 引言

3.2 钎料Zn对Ti/Al异种金属FSB接头组织和性能影响

3.2.1 搅拌头转速对接头组织及力学性能的影响

3.2.2 焊接速度对接头组织及力学性能的影响

3.2.3 钎料厚度对接头组织及力学性能的影响

3.3 钎料Ni对Ti/Al异种金属FSB接头组织和性能影响

3.3.1 搅拌头转速对接头横截面宏观形貌的影响

3.3.2 搅拌头转速对接头横截面微观组织结构的影响

3.3.3 搅拌头转速对接头的最大失效载荷的影响

3.4 本章小结

第四章 焊后热处理对Ti/Al异种金属FSB接头组织及力学性能的影响

4.1 添加钎料Zn时Ti/Al异种金属FSB接头的焊后热处理

4.1.1 热处理温度对Ti-Zn-Al接头组织和性能影响

4.1.2 保温时间对Ti-Zn-Al接头组织和性能影响

4.2 添加钎料Ni时Ti/Al异种金属FSB接头的热处理

4.2.1 热处理温度对Ti-Ni-Al接头组织和性能影响

4.2.2 保温时间对Ti-Ni-Al接头组织和性能影响

4.3 热处理后接头的力学性能及界面上相组成对比

4.3.1 最大失效载荷对比

4.3.2 焊缝横截面显微硬度对比

4.3.3 焊缝界面的相组成对比

4.4 本章小结

第五章 Ti/Al异种金属FSB接头界面金属间化合物热力学与动力学研究

5.1 焊接界面热力学

5.1.1 Ti-Zn-Al系统热力学计算模型

5.1.2 Ti-Ni-Al系统热力学计算模型

5.1.3 热力学计算结果及分析

5.2 焊接界面金属间化合物的生长动力学

5.2.1 动力学模型的建立

5.2.2 动力学方程的建立

5.2.3 计算结果及分析

5.3焊接过程中中间层的演变过程

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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