Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金的特种焊接行为

摘要

本文针对传统铸造法制备Ti基块体非晶合金时合金具有较低的玻璃形成能力的问题,采用不同的焊接方法将小尺寸的Ti块体非晶合金连接成大尺寸的Ti基块体非晶合金,对焊件的微观组织和力学性能进行了系统的研究,并对成功焊接Ti基块体非晶合金的机理进行了探讨。
　　利用激光焊接技术快速加热和冷却的特点,对不同激光焊接参数下得到的焊件进行了微观组织和性能研究。实验结果表明,在激光功率为3.5 kW,焊接速度10 m/min时,可以获得完全非晶态的接头,并且该接头的拉伸强度可以达到母材的93％,体现良好的力学性能,断口表面分布大量脉状花样和熔滴。而在其它焊接参数下得到的焊件,其焊缝区和热影响区内均有晶体相析出。通过计算得出Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金在加热过程中保持非晶态特征的临界加热速度,该值远远小于激光焊接过程中样品的加热速度,因此,Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金在加热过程中不会发生晶化。进一步计算得出熔合线附近,靠近焊缝区获得非晶态合金的冷却速度约为780 K/s,该值远远大于Ti基块体非晶合金的临界冷却速度,原因在于焊接过程不是在真空条件下进行,大气中的氧显著降低了非晶合金的玻璃形成能力。
　　采用数值模拟的方法研究了Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金激光焊接过程中的温度场变化,进一步分析了Ti基非晶合金在激光焊接过程中保持非晶态结构的机理。以高斯面热源+柱热源为热源模型,考虑对流、辐射的影响,测定了材料热物理参数随温度的变化情况。将模拟计算得到的结果与实验结果相对比,验证了模型的准确性。基于此模型,考察了不同焊接参数下Ti基非晶合金的热历史。结果表明,熔合线附近,靠近焊缝区得到的冷却速度与理论计算得到的值相一致;热影响区内,激光焊接过程中样品的加热速度亦远远大于临界加热速度。
　　利用块体非晶合金在过冷液相区内具有超塑性的特点,研究了Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金的摩擦焊接行为。保持顶锻力和顶锻时间不变,在一定摩擦转速和摩擦时间条件下,可以获得完全非晶态的接头,并且完全非晶态的焊件接头拉伸强度可高达1580 MPa,约为母材的90%。提高摩擦转速时,摩擦界面处有晶体相析出,晶化产物为β-(Ti, Zr)。研究了焊接参数对于飞边形成的影响,结果表明,飞边的厚度与摩擦压力、顶锻压力以及焊接时间无关,与转速呈正比关系,而飞边的体积与焊接时间成正比关系。对于接头保持非晶态的机理研究表明,非晶合金过冷液相区内粘度的急剧变化与摩擦转速之间可以相互调节以保持摩擦界面处的温度不至于过高。结合摩擦焊接界面的温度分布特征,得到一定转速下,界面处保持非晶态结构所需要的临界摩擦时间公式,计算得到不同摩擦转速下的临界摩擦时间,通过相关实验和模拟验证了该数据的正确性。结果表明,在一定的转速下,当施加的摩擦时间小于临界摩擦时间时界面可以获得完全非晶态结构。
　　研究了Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金电阻点焊行为。在焊接电流5 kA,焊接时间2 cycles条件下,熔核区能够获得非晶态,然而,热影响区内有晶体相析出。另外,采用完全晶化的样品进行点焊,同样获得了完全非晶态的熔核区。对焊件进行拉剪测试,结果表明,焊件主要以三种断裂模式进行断裂:界面断裂、局部断裂以及纽扣式断裂,其中绝大多数为局部断裂模式。焊件的力学性能与点焊熔核尺寸以及接头处的晶化程度密切相关。对熔合线附近的冷却速度进行计算,得到获得完全非晶态接头所需要的临界冷却速度。

目录

Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金的特种焊接行为

SPECIAl WELDING BEHAVIORS OF ATi40Zr25Ni3Cu12Be20 BULK METALLIC GLASS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪论

1.1引言

1.2 Ti基非晶合金玻璃形成能力

1.3 块体非晶合金的焊接行为研究现状

1.4学位论文的主要研究内容

第2 章 材料制备与研究方法

2.1 Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金样品的制备

2.2焊接设备

2.3测试与分析方法

第3章 Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金激光焊接行为

3.1前言

3.2激光焊接参数对接头微观组织的影响

3.3非晶合金焊件的力学性能测试

3.4临界加热速度的计算

3.5冷却速度的计算

3.6 本章小结

第4 章 Ti40Zr25Ni3Cu12Be20 块体非晶合金激光焊接温度场模拟

4.1前言

4.2激光焊接热源模型的选择

4.3 Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金激光焊接温度场模拟

4.4讨论

4.5本章小结

第5章 Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金摩擦焊接行为

5.1引言

5.2摩擦焊接参数

5.3焊接参数对块体非晶合金摩擦焊接行为的影响

5.4焊件室温拉伸性能

5.5讨论

5.6本章小结

第6章 Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金电阻点焊行为

6.1前言

6.2点焊工艺参数

6.3点焊参数对接头组织形貌的影响

6.4 Ti基块体非晶合金点焊接头力学行为

6.5讨论

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

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历