非晶锆合金与铝合金超塑性变形连接接头性能及连接机理

摘要

非晶合金 Zr55Cu30Ni5Al10以其独特的结构及优良的力学、化学和物理等性能成为一种具有潜在应用价值的结构和功能材料。由于非晶合金在实际应用中的要求，需要实现非晶合金和非晶合金以及非晶合金和晶态合金的连接。目前应用于非晶合金较为成熟的焊接方法主要为激光焊、电子束焊及摩擦焊。当非晶合金待焊面较大时，基于其在过冷液相区内的超塑性性能，超塑性变形连接具有其它焊接方法所不具有的优势。本研究旨在实现非晶合金和非晶合金以及非晶合金和铝合金的超塑性变形连接，通过预摩擦工艺以及氩离子辐照工艺对非晶合金表面氧化膜进行了焊前去除，确定了非晶合金表面的氧化膜对超塑性变形连接接头界面结构以及性能的影响规律。根据非晶合金的性能及力学理论，建立了非晶合金和非晶合金、非晶合金和晶态铝合金的超塑性变形连接模型。该模型成功阐明了超塑性变形连接过程中原子扩散机制及塑性变形机制的贡献，并通过焊接接头的强度及界面氧化膜残余率对模型进行了验证。
　　探讨了非晶合金 Zr55Cu30Ni5Al10进行超塑性变形连接的两大难点：非晶合金表面致密的氧化膜及较低的原子扩散系数。通过光电子能谱探测了非晶合金表面氧化膜的主要成分，确定了氧化膜的主要成分为 Al2O3和ZrO2，元素 Ni和Cu在氧化膜中的含量较少。通过热分析技术确定了非晶合金进行超塑性变形连接的连接温度及连接时间，较为适宜的连接温度为440℃，连接时间为15-25min。
　　为了解决非晶合金表面氧化膜的问题，本研究自行设计并制作了一套预摩擦装置，以达到去除样品待焊接表面氧化膜的目的。本研究分别采用超塑性变形连接方法、预摩擦辅助超塑性变形连接方法对非晶合金和非晶合金、非晶合金和晶体铝合金进行了连接。结果表明，采用预摩擦辅助超塑性变形连接方法获得的接头质量明显高于直接采用超塑性变形连接获得的接头质量。对于采用预摩擦辅助超塑性变形连接获得的接头，接头强度随预摩擦时间及连接时间的增加而逐渐增加。当连接温度为440℃，连接时间低于25min时，焊后接头未发生晶化；当连接时间延长至30min时，焊后接头组织中出现 Zr2Ni，Zr2Cu和Cu10Zr7晶化相。
　　本研究除采用预摩擦工艺对非晶合金及铝合金表面进行焊前处理外，还探索使用了氩离子束辐照工艺对非晶合金及铝合金表面进行焊前处理。在低真空环境中通过1keV氩离子束对样品进行辐照，去除样品表面的氧化膜，并立刻进行超塑性变形连接。本研究采用等离子体辅助超塑性变形连接方法分别对非晶合金和非晶合金以及非晶合金和晶态铝合金进行了超塑性变形连接，结果表明氩离子束辐照工艺去膜效果明显，采用等离子体辅助超塑性变形连接方法获得的接头质量明显高于直接采用超塑性变形连接方法获得的接头。焊前氩离子束辐照时间越长，焊接接头的强度越高，但较长时间的辐照会造成非晶合金表面层在连过程中发生晶化。比较适宜的氩离子束辐照时间为10-20min，连接温度为440℃，连接时间为15-20min。对于非晶合金和晶态铝合金焊接，当离子束辐照时间为180min时，获得的接头的强度为108.4±5.8MPa，达到铝合金母材强度的49.54％。
　　根据非晶合金的性能及力学理论，结合目前已有的晶态材料扩散连接模型建立了非晶合金和非晶合金、非晶合金和铝合金的超塑性变形连接模型。对于非晶合金和非晶合金的超塑性变形连接，当连接温度为440℃，连接压力为120MPa时孔洞形成阶段完成后接头接合面分数约为18.5%；在孔洞闭合阶段塑性变形机制对孔洞的闭合过程起主要作用，而原子扩散机制对孔洞闭合的贡献比塑性变形机制低约六个数量级。通过接头强度及接头界面处氧化膜残余率可知，该模型与试验较为吻合。对于非晶合金和铝合金的超塑性变形连接，当连接温度为440℃，连接压力为80MPa时孔洞形成阶段完成后接头接合面分数约为65.9%，且铝合金的塑性变形机制主导了孔洞形成过程；在孔洞闭合阶段非晶合金的塑性变形机制对孔洞闭合的贡献占据主导地位，但铝合金一侧原子扩散机制的贡献明显高于非晶合金一侧。通过采用预摩擦辅助超塑性变形连接方法与等离子体辅助超塑性变形连接方法获得的接头的强度及接头界面处氧化膜残余率可知，该模型与试验值较为吻合。

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目录

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 非晶合金的研究现状

1.3 非晶合金的连接研究现状

1.4 超塑性变形连接技术的发展现状

1.5 本课题主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1试验材料

2.2试验设备及工艺

2.3焊接接头结构分析及性能测试

第3章 非晶合金与非晶合金的超塑性变形连接

3.1引言

3.2 非晶合金的自身性能

3.3 非晶合金超塑性变形连接

3.4非晶合金预摩擦辅助超塑性变形连接

3.5非晶合金的等离子体辅助超塑性变形连接

3.6本章小结

第4章 非晶合金和铝合金的超塑性变形连接

4.1引言

4.2 非晶合金和铝合金的超塑性变形连接

4.3非晶合金和铝合金的预摩擦辅助超塑性变形连接

4.4 非晶合金和铝合金的等离子体辅助超塑性变形连接

4.5本章小结

第5章 非晶合金自身及和铝合金的超塑性变形连接模型

5.1引言

5.2非晶合金和非晶合金的超塑性变形连接模型

5.3 非晶合金和非晶合金超塑性变形连接模型的验证

5.4非晶合金和铝合金超塑性变形连接模型

5.5 非晶合金和铝合金超塑性变形连接模型的验证

5.6本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及专利

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致谢

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