SiCp-2009Al復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接.pdf

1、攪拌摩擦焊接(FSW)作為一種新型固態(tài)焊接技術(shù)，可有效避免熔化焊產(chǎn)生的缺陷，獲得性能良好的顆粒增強鋁基復(fù)合材料(AMC)接頭，被認為是實現(xiàn)AMC工業(yè)化焊接生產(chǎn)的理想選擇。但由于增強相顆粒對焊接工具的嚴重磨損，使AMC的FSW工藝參數(shù)缺少系統(tǒng)的研究，同時控制接頭性能的因素也缺乏深入的理解。本研究采用一種新型耐磨金屬陶瓷材料作為焊接工具，選取目前應(yīng)用最廣泛的SiCp/2009Al復(fù)合材料作為研究對象。探討采用新型焊接工具進行不同狀態(tài)SiCp

2、/2009Al的FSW可行性，并系統(tǒng)研究焊接工具形狀、尺寸、焊接參數(shù)對接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響，揭示影響接頭力學(xué)性能和抗腐蝕性能的關(guān)鍵因素。
　　主要研究工作如下:
　　選取不同熱處理狀態(tài)的SiCp/2009Al板材進行FSW。探討采用新型焊接工具進行SiCp/2009Al的FSW可行性。研究表明，采用金屬陶瓷焊接工具可以實現(xiàn)軋制態(tài)、固溶態(tài)、自然時效態(tài)的15vol.％SiCp/2009Al板材的FSW。接頭表面質(zhì)量良好，

3、無明顯焊接缺陷。軋制態(tài)板材的FSW接頭中，焊核區(qū)大部分Al2Cu相溶解，部分Al2Cu相在冷卻過程中重新析出。焊核區(qū)的硬度明顯提高，接頭橫向拉伸時斷裂在母材，強度為321MPa。在固溶態(tài)和自然時效態(tài)下進行FSW，可以取得類似的焊接效果。兩種狀態(tài)樣品焊核區(qū)的晶粒尺寸、析出相(Al2Cu)分布及硬度基本相似。兩種樣品的熱影響區(qū)均存在兩個低硬度區(qū)，靠近焊核區(qū)的低硬度區(qū)在焊接熱循環(huán)過程中溫度較高，兩種樣品均發(fā)生Al2Cu相的粗化，硬度值相同;但

4、在遠離焊核區(qū)的低硬度區(qū)，固溶態(tài)樣品不發(fā)生固溶原子團簇回溶，該區(qū)域的硬度略高于自然時效態(tài)樣品，位置更靠近焊核區(qū)中心。兩種接頭橫向拉伸時均斷裂在靠近焊核區(qū)的低硬度區(qū)，強度基本相同，可達母材強度的83％。
　　研究了焊接工具形狀、尺寸對T4態(tài)17vol.％SiCp/2009Al的FSW接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響。采用帶螺紋的圓錐形攪拌針，研究了焊接轉(zhuǎn)速、焊接速度、壓下量等工藝參數(shù)對接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究表明，采用三棱柱攪

5、拌針時，增加三棱柱攪拌針的傾斜角度和增大軸肩尺寸，有助于焊接過程中材料流動以及板材原始界面氧化皮的分散，但接頭重新T4處理后強度仍低于母材。僅在高焊接轉(zhuǎn)速(l000rpm)和低焊接速度(50mm/min)的參數(shù)條件下，可獲得高性能的接頭。帶螺紋的圓錐形攪拌針有助于材料的流動，焊接速度為100mm/min時，焊接轉(zhuǎn)速由600rpm提高到2000rpm，接頭的拉伸強度基本不變，為母材的85％左右，接頭斷裂在熱影響區(qū)的低硬度區(qū)。焊接過程中增加

6、壓下量可實現(xiàn)T4態(tài)17vol.％SiCp/2009Al板材的高速焊接。當焊接轉(zhuǎn)速為1000rpm，接頭強度隨焊接速度的提高而提高，當焊接速度低于200mm/min，拉伸時樣品斷裂在熱影響區(qū)的低硬度區(qū)。當焊接速度達到600mm/min時，熱影響區(qū)和焊核區(qū)的硬度基本相同。焊接速度在300-600mm/min范圍內(nèi)，接頭強度為母材的92％左右，斷裂位置在熱影響區(qū)和焊核區(qū)呈隨機分布。
　　研究了SiCp/2009AlFSW過程中焊核區(qū)Si

7、C顆粒的變化、SiC/Al界面的演化對接頭力學(xué)性能的影響以及高速焊接條件下接頭析出相的分布規(guī)律，探討控制FSW接頭室濕力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。研究表明，F(xiàn)SW過程中劇烈的塑性變形導(dǎo)致焊核區(qū)SiC顆粒的形狀和尺寸發(fā)生變化，降低樣品的屈服強度。SiC/Al界面上較大的化合物發(fā)生脫落，較小的化合物和非晶層仍保留在界面上。Al基體容易在破碎的SiC顆粒表面形核并形成納米晶。變得相對干凈的SiC/Al界面有助于增強載荷傳遞，提高樣品的抗拉強度。在高速

8、焊接時(800mm/min)焊核區(qū)存在～l00nm的Al2Cu相和～20nm的Al2CuMg相，硬度最低。熱影響區(qū)只有一個低硬度區(qū)，在該區(qū)域只發(fā)生固溶原子團簇回溶。樣品的拉伸強度可達母材的97％，斷裂在焊核區(qū)。
　　研究了2009Al合金、17vol.％SiCp/2009Al以及17vol.％SiCp/2009Al在低焊接速度(50mm/min)和高焊接速度(800mm/min)下的FSW接頭的局部腐蝕行為，探討影響母材及FSW接

9、頭局部腐蝕性能的因素。研究表明，2009Al合金在57gNaCl+10mlH2O2+ILH2O溶液中浸泡時，內(nèi)部聚集的第二相顆粒容易在表面形成腐蝕環(huán)，發(fā)生嚴重的點蝕和晶間腐蝕，并向材料內(nèi)部擴展。17vol％SiCp/2009Al中引入大量SiC/Al界面，腐蝕環(huán)被抑制。雖然在材料表面也會發(fā)生點蝕和晶間腐蝕，但材料腐蝕相對更均勻。低速焊接的FSW接頭中，焊核區(qū)和熱影響區(qū)中靠近焊核區(qū)的低硬度區(qū)的晶界析出相發(fā)生粗化，促進樣品的晶間腐蝕。同時，