钛/铜异种金属冷金属过渡技术及接头腐蚀行为

摘要

钛及钛合金具有较低的密度，很高的强度，良好的塑性和韧性，良好的疲劳性能，足够的抗腐蚀性和高温强度，优异的生物相容性，最突出的特点是比强度高，是一种优良的轻质结构材料。铜及铜合金具有优良的导电、导热性能，良好的冷、热加工性能，高的抗氧化性以及抗淡水、盐水、氨碱溶液和有机化学物质腐蚀的性能，有些铜合金还具有较高的强度。钛及钛合金和铜及铜合金异种金属的优质连接，不仅满足一些特殊结构部件的减重和功能要求，还可以充分发挥钛及钛合金和铜及铜合金材料的性能优势，收到“各得其所”的效果。如既能满足质量轻强度高的要求，又能满足导电导热性、耐蚀耐磨性的要求，必将在航空航天、仪器仪表、造船、化工等领域拥有广阔的应用前景。
　　冷金属过渡焊接技术是一种将送丝速度与熔滴过渡过程进行数字化协调的电弧焊方法。冷金属过渡焊接技术独特的能量传递和转换机制赋予其有别于其它焊接热源的许多特点，在异种材料的焊接领域中具有独特的优势。因此，开展钛及钛合金与铜及铜合金异种金属的冷金属过渡焊接技术研究，观察焊接过程电弧的稳定性和焊缝表面成形，分析焊接接头的宏观和微观组织结构，阐明钛/铜异种金属的连接机理，探讨工艺参数、组织结构和力学性能的相关性。最后研究分析钛/铜异种金属冷金属过渡焊接接头的腐蚀行为。
　　实验结果表明:采用铜(T2)板在上钛（TA2和TC4）板在下的搭接方式，送丝速度为4.5-5.0 m/min，焊丝偏向铜板一侧1 mm，可以得到表面光滑、成形良好的焊接接头。焊丝和铜板熔化形成铜侧界面区，焊缝金属润湿钛板，而钛板保持固态或微量熔化，形成钛侧界面区。焊接接头的拉剪强度可达200 N/mm，且在铜母材侧的热影响区断裂。采用钛（TA2和TC4）板在上铜(T2)板在下的搭接方式，送丝速度为6.0-6.5 m/min，焊丝正对钛板的边沿，可以得到表面光滑、成形良好的焊接接头。焊丝和铜板熔化形成铜侧界面区，钛板有一定量的熔化，焊缝金属包围在钛板的周围，形成三个钛侧界面区，增加了焊缝和钛（TA2和TC4）板的连接面积，大大提高了焊接接头的强度。焊接接头的拉剪强度可达190 N/mm，且在铜母材侧的热影响区断裂。对于1 mm钛(TA2和TC4)/1 mm铜(T2)1 mm对接焊，送丝速度为4.5-5.0 m/min，焊丝偏向铜板一侧1-2 mm，可以得到表面光滑、成形良好的焊接接头。焊丝和铜板熔化形成铜侧界面区，焊缝金属润湿钛板而钛板保持固态或微量熔化形成三个钛侧界面区。焊接接头的抗拉强度可达200MPa，且在铜母材侧的热影响区断裂。对于3 mm钛TA2/3 mm铜T2对接焊，坡口对接头的力学性能影响不大，合适的送丝速度可以得到表面光滑、成形良好的焊接接头。焊接接头的抗拉强度可达200MPa，且在铜母材侧的热影响区断裂。焊丝和铜板熔化形成铜侧界面区，焊缝金属润湿钛板而钛板保持固态或微量熔化形成钛侧界面区。钛/铜异种金属焊接接头的铜侧界面区基本相似，都是形成沿熔合线生长的柱状晶。焊缝区都是铜基固溶体和黑色Ti-Cu-Al-Ni-Fe混合相，不同的是对于TC4而言，焊缝中含有少量的钒元素。钛侧界面区的金属间化合物层都包含Ti2Cu、 TiCu、AlCu2Ti和铜基固溶体，只是金属间化合物的厚度不同。而对于TC4而言，在靠近钛TC4母材侧有一定量的TiAl金属间化合物。铜母材侧热影响区断裂的原因是，在焊接电弧的作用下，铜母材侧热影响区的晶粒发生了回复再结晶，晶粒长大，使铜侧热影响区发生软化，导致强度降低，最终而断裂。钛/铜异种金属冷金属过渡焊接接头在10％ HCl溶液中腐蚀7天后，钛侧界面区出现腐蚀沟槽，腐蚀14天后自行断裂。能谱分析结果表明，被腐蚀掉的是钛侧界面区的金属间化合物层。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 钛／铜异种金属的焊接性分析

1．2．1 影响钛／铜异种金属焊接性的因素

1．2．2 钛／铜异种金属焊接的难点

1．3 钛／铜异种金属连接研究现状

1．3．1 钛／铜异种金属固相连接研究现状

1．3．2 钛／铜异种金属熔化焊研究现状

1．4 本课题主要研究内容

第2章 试验材料、设备与方法

2．1 试验材料

2．2 试验设备

2．2．1 焊接设备

2．2．2 微观组织和相分析设备

2．2．3 力学性能测试设备

2．3 试验方法

2．3．1 焊接材料处理

2．3．2 焊接接头微观组织分析

2．3．3 焊接接头力学性能测试

第3章 钛／铜异种金属搭接焊冷金属过渡技术

3．1 铜T2板在上钛TA2板在下搭接焊

3．1．1 焊接工艺

3．1．2 焊接接头的宏观形貌

3．1．3 焊接接头的微观组织

3．1．4 焊接接头的力学性能

3．2 钛TA2板在上铜T2板在下搭接焊

3．2．1 焊接工艺

3．2．2 焊接接头的宏观形貌

3．2．3 焊接接头的微观组织

3．2．4 焊接接头的力学性能

3．3 铜T2板在上钛TC4板在下搭接焊

3．3．1 焊接工艺

3．3．2 焊接接头的宏观形貌

3．3．3 焊接接头的微观组织

3．3．4 焊接接头的力学性能

3．4 钛TC4板在上铜T2板在下搭接焊

3．4．1 焊接工艺

3．4．2 焊接接头的宏观形貌

3．4．3 焊接接头的微观组织

3．4．4 焊接接头的力学性能

3．5 讨论

3．5．1 装配方式对接头连接机理的影响

3．5．2 装配方式对接头力学性能的影响

3．5．3 偏铜量对接头力学性能的影响

3．5．4 不同钛板对接头连接机理和接头力学性能的影响

3．6 小结

第4章 钛／铜异种金属对接焊冷金属过渡技术

4．1 1mm钛TA2板／1mm铜T2板对接焊

4．1．1 焊接工艺

4．1．2 焊接接头的宏观形貌

4．1．3 焊接接头的微观组织

4．1．4 焊接接头的力学性能

4．2 1mm钛TC4板／1mm铜T2板对接焊

4．2．1 焊接工艺

4．2．2 焊接接头的宏观形貌

4．2．3 焊接接头的微观组织

4．2．4 焊接接头的力学性能

4．3 3mm钛TA2板／3mm铜T2板对接焊

4．3．1 焊接工艺

4．3．2 焊接工艺参数对焊接接头宏观形貌的影响

4．3．3 焊接工艺参数对焊接接头力学性能的影响

4．3．4 优化的焊接接头

4．3．5 焊接接头的结合机理

4．4 小结

第5章 3mm钛TA2板／3mm铜T2板异种金属搭接焊冷金属过渡技术

5．1 焊接工艺

5．2 焊接接头的宏观形貌

5．3 送丝速度对焊接接头微观组织的影响

5．4 送丝速度对焊接接头力学性能的影响

5．5 小结

第6章 钛／铜异种金属冷金属过渡焊接接头的腐蚀行为

6．1 实验方法

6．2 实验结果及分析

6．2．1 接头微观组织变化

6．2．2 接头力学性能变化

6．3 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录