TiB2颗粒增强ZL101复合材料的电子束焊接及接头性能研究

摘要

利用混合盐法制备的TiB2/ZL101复合材料是一种新型的原位合成颗粒增强结构材料，具有重量轻、比强度和比模量高、热膨胀系数小、耐高温、耐磨、抗腐蚀和尺寸稳定性好等特点。目前金属基颗粒增强复合材料具有大的焊接气孔敏感性、第二相粒子偏析以及粒子与金属的界面反应产生的脆性相等一系列问题，严重影响焊接接头性能。揭示上述问题的形成机制，制定对应的策略是实现金属基颗粒增强复合材料推广应用所必须攻克的技术难题。本文采用新型扫描电子束焊接方法，研究其工艺适应性、第二相粒子的熔池行为、电子束工艺参数对焊缝成形的影响、微观组织和力学性能之间的映射关系，具有重要的理论意义和工程应用价值。　　通过电子束焊接工艺试验发现电子束焊接方法对新型TiB2/ZL101复合材料有很强的适用性，而且通过优化的工艺参数可以获得无缺陷、深宽比很大、成形良好、晶粒细小和增强相弥散分布的焊接接头。　　电子束的搅拌作用和金属蒸气的反作用力使得焊前呈团聚态的TiB2颗粒在熔池中被击碎，弥撒分布于焊缝；弥散分布的TiB2颗粒、电子束的搅拌破碎作用及焊后凝固较大的过冷度增加了非自发形核核心，细化焊缝晶粒。　　基于数值模拟的结果，增强相 TiB2颗粒的存在导致复合材料的热导率减小，熔池温度峰值更高，温度梯度更大且熔池变小, TiB2/ZL101复合材料的电子束焊接接头容易得到深宽比很大的“钉”形焊缝；与此同时，复合材料粘度增大，熔池流动更加困难，这将不利于气孔缺陷的控制，增加了TiB2/ZL101复合材料的气孔敏感性，而气孔等缺陷可以通过施加轨迹可控的扫描电子束进行控制。　　最后进行了焊接接头的力学性能表征，结果表明在优化的工艺参数下获得的TiB2/ZL101复合材料的电子束焊接接头，其抗拉强度与母材等强，耐磨损性能和硬度优于母材，为工程应用提供了技术支撑。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2铝基复合材料的发展

1.3 TiB2/ZL101新型铝基复合材料优点及其应用

1.4铝基复合材料焊接的研究现状

1.5 铝基复合材料的电子束焊接

1.6电子束焊接数值模拟进展

1.7本课题主要研究内容

第二章 试验材料和方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3电子束焊接试验

2.4焊缝宏观形貌和微观组织观察

2.6本章小结

第三章 TiB2颗粒增强ZL101复合材料的电子束焊接工艺

3.1 TiB2粒子对焊缝宏观成形的影响

3.2工艺参数优化及接头的气孔敏感性研究

3.3 TiB2/ZL101电子束焊接接头微观组织

3.4本章小结

第四章 焊接温度场和流场的数值模拟

4.1热源模型

4.2焊接温度场和流场数学模型

4.3焊接接头温度场和流场模拟

4.4本章小结

第五章 添加TiB2颗粒的ZL101电子束焊接头的力学性能

5.1拉伸性能测试

5.2耐磨性能测试

5.3接头硬度测试

5.4本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢