钛/钢及钛/铜电子束焊接接头组织与力学性能研究

摘要

航空航天业的发展要求飞行器具有更高的推重比,用钛合金代替传统金属能极大减轻机构的重量,这就要求钛合金与异种金属具有可靠的连接质量。
　　本文对TA15钛合金与304不锈钢进行了电子束焊接,设计并制备了填充金属对接头质量进行调控,应用获得的异种金属电子束焊接质量调控方法对TA15钛合金与QCr0.8铬青铜的电子束焊接质量进行了调控。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪对接头组织进行了分析;通过抗拉强度和显微硬度对接头力学性能进行了评价;采用ANSYS有限元软件对接头的温度场和应力场进行了数值计算,并通过试验对计算结果进行了验证。
　　焊接性研究表明,钛/钢接头在焊后形成冷裂纹,焊缝内生成多种脆硬的Ti-Fe金属间化合物。温度场计算显示,钛/钢电子束接头温度场呈非对称分布,高温区偏向钛合金侧。电子束焊接过程中升温降温速度极快,焊缝凝固过程为极端非平衡过程。应力场计算结果表明,接头内存在较大残余应力,最大拉应力区位于近钢侧的界面化合物区,进一步恶化了接头力学性能。基于影响焊接质量的关键问题,提出接头性能改善的四种优化组织模型,分别称为I～IV型接头组织,即塑性较好的化合物替代原始脆硬化合物;固溶体加界面金属间化合物层组织;界面固溶体化,化合物层推向焊缝并呈分散或“齿形”分布;完全固溶体过渡组织。
　　通过能量控制和引入第三组元的冶金调控研究了实现优化组织模型的可行性。基于温度场计算的熔池形状预测方法,制定了能量调控工艺。采用钛侧偏束的方法,钛/钢接头获得了II类优化焊缝组织,但无法抑制裂纹的扩展。采用Ni、Ag、V和Cu作为冶金调控元素均能实现钛/钢电子束焊接接头的第II类组织优化,接头力学性能由界面化合物层的性质决定。其中 Cu元素作为第三组元体现出了更优的焊接工艺性和接头力学性能,接头峰值温度将低,残余应力减小。焊接速度和束流通过影响界面化合物层的厚度控制接头性能,接头最高强度可达310MPa。第三组元的加入稀释了待焊母材主要元素在熔池中的浓度,改善了金属间化合物的数量、分布、尺寸和种类,提高了接头力学性能。第II类优化组织中由于界面化合物层的存在,使得接头的力学性能提高受到极大的限制。
　　为进一步提升钛/钢电子束焊接接头性能,设计了V/Cu复合填充层,并获得了第 III类优化接头组织类型。由于填充层热物理性能差异较大,焊接工艺优化困难,焊接缺陷难以避免。通过基于温度场计算的熔池形状提取方法和热导率理论预测,设计了Cu2V合金代替V/Cu复合填充层中的Cu层,大大提升了调控金属间的热物理性能匹配性。研究了粉末冶金方法制备Cu2V合金时获得高致密度板材的条件,板材致密度可达99％以上。采用上述V/Cu2V复合填充层,并辅之以双道焊接工艺,实现了钛/钢固溶体成分过渡接头,获得了第IV类优化组织,接头组织结构为:TA15/Ti(s,s)+Cu(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/Fe(s,s) Cu(s,s)/304 SS。抗拉强度为392MPa,达到不锈钢母材的75%。
　　将上述钛/钢电子束焊接质量调控方法向难焊异种金属的电子束焊接进行推广和应用。采用Cu2V合金对钛/铜电子束焊接接头组织进行调控,研究了焊接工艺的选择准则,即在不形成焊接缺陷的前提下,应选择尽量大的填充金属厚度和热输入尽量小的焊接工艺参数。接头最终够实现了第 III类优化组织,界面实现固溶体化,接头组织结构为TA15/Ti(s,s)/(TiCu2+Ti3Cu4)+V(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/QCr0.8。抗拉强度达到铜合金母材的80%以上，拉伸断裂发生在铜母材的热影响区。
　　作为方法的完善,研究了焊缝中气孔形成的机理和抑制工艺,气孔的形成是由于粉末冶金合金内吸附的气体在焊接过程中来不及逸出而引起,采用中频扫描电子束进行焊接可以加快气孔的逸出速度,抑制了气孔的形成。

目录

钛/钢及钛/铜电子束焊接接头组织与力学性能研究

RESEARCH ON MICROSTRUCTURES ANDMECHANICAL PROPERTIES FOR ELECTRONBEAM WELDED TITANIUM/STEEL TOTITANIUM/ COPPER JOINTS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2钛合金与不锈钢焊接工艺研究现状

1.3钛合金与铜合金焊接工艺研究现状

1.4异种材料电子束焊接研究现状

1.5电子束焊接温度场及残余应力研究现状

1.6主要研究内容

第2 章 试验材料、设备及方法

2.1试验材料

2.2试验设备、工艺及方法

2.3焊接接头的分析测试

2.4温度场和应力场数值模拟和试验验证方法

第3章 钛/钢电子束焊接性及接头优化组织模型

3.1表面成形特征及横截面形貌

3.2焊缝微观组织特征及凝固过程

3.3钛/钢接头元素分布及其对性能的影响

3.4钛/钢电子束焊接温度场和应力场

3.5钛/钢电子束焊接关键问题及优化路径

3.6接头优化组织模型

3.7本章小结

第4 章 钛/钢电子束焊接接头组织与性能能量及冶金调控机理

4.1钛/钢电子束焊接质量能量调控

4.2第三组元选择和接头组织冶金调控机理

4.3添加铜填充金属的钛/钢电子束焊接能量耦合调控

4.4本章小结

第5 章 复合填充层的制备及钛/钢电子束焊接接头组织与性能优化

5.1复合填充层的设计及制备方案

5.2采用V/Cu填充层的钛/钢电子束焊接

5.3 V/Cu复合填充层的结构优化及制备方法

5.4优化复合填充层调控钛/钢电子束焊接过程的机理

5.5粉末冶金填充层组织调控技术应用前景

5.6本章小结

第6章 钛/铜电子束焊接接头组织与性能优化

6.1采用Cu-V合金填充金属的钛/铜电子束焊接特征

6.2 Cu-V合金填充层结构优化

6.3工艺参数对Cu2V填充层调控钛/铜电子束焊接过程的影响

6.4气孔形成及控制机理

6.5钛/铜管接头的电在子束焊接

6.6本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历