鈦-鋼及鈦-銅電子束焊接接頭組織與力學性能研究.pdf

1、航空航天業(yè)的發(fā)展要求飛行器具有更高的推重比,用鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬能極大減輕機構的重量,這就要求鈦合金與異種金屬具有可靠的連接質量。
　　本文對TA15鈦合金與304不銹鋼進行了電子束焊接,設計并制備了填充金屬對接頭質量進行調控,應用獲得的異種金屬電子束焊接質量調控方法對TA15鈦合金與QCr0.8鉻青銅的電子束焊接質量進行了調控。通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀對接頭組織進行了分析;通過抗拉強度和顯微硬度對接頭力學性能

2、進行了評價;采用ANSYS有限元軟件對接頭的溫度場和應力場進行了數(shù)值計算,并通過試驗對計算結果進行了驗證。
　　焊接性研究表明,鈦/鋼接頭在焊后形成冷裂紋,焊縫內生成多種脆硬的Ti-Fe金屬間化合物。溫度場計算顯示,鈦/鋼電子束接頭溫度場呈非對稱分布,高溫區(qū)偏向鈦合金側。電子束焊接過程中升溫降溫速度極快,焊縫凝固過程為極端非平衡過程。應力場計算結果表明,接頭內存在較大殘余應力,最大拉應力區(qū)位于近鋼側的界面化合物區(qū),進一步惡化了接頭

3、力學性能?；谟绊懞附淤|量的關鍵問題,提出接頭性能改善的四種優(yōu)化組織模型,分別稱為I～IV型接頭組織,即塑性較好的化合物替代原始脆硬化合物;固溶體加界面金屬間化合物層組織;界面固溶體化,化合物層推向焊縫并呈分散或“齒形”分布;完全固溶體過渡組織。
　　通過能量控制和引入第三組元的冶金調控研究了實現(xiàn)優(yōu)化組織模型的可行性?；跍囟葓鲇嬎愕娜鄢匦螤铑A測方法,制定了能量調控工藝。采用鈦側偏束的方法,鈦/鋼接頭獲得了II類優(yōu)化焊縫組織,但無

4、法抑制裂紋的擴展。采用Ni、Ag、V和Cu作為冶金調控元素均能實現(xiàn)鈦/鋼電子束焊接接頭的第II類組織優(yōu)化,接頭力學性能由界面化合物層的性質決定。其中 Cu元素作為第三組元體現(xiàn)出了更優(yōu)的焊接工藝性和接頭力學性能,接頭峰值溫度將低,殘余應力減小。焊接速度和束流通過影響界面化合物層的厚度控制接頭性能,接頭最高強度可達310MPa。第三組元的加入稀釋了待焊母材主要元素在熔池中的濃度,改善了金屬間化合物的數(shù)量、分布、尺寸和種類,提高了接頭力學性能

5、。第II類優(yōu)化組織中由于界面化合物層的存在,使得接頭的力學性能提高受到極大的限制。
　　為進一步提升鈦/鋼電子束焊接接頭性能,設計了V/Cu復合填充層,并獲得了第 III類優(yōu)化接頭組織類型。由于填充層熱物理性能差異較大,焊接工藝優(yōu)化困難,焊接缺陷難以避免。通過基于溫度場計算的熔池形狀提取方法和熱導率理論預測,設計了Cu2V合金代替V/Cu復合填充層中的Cu層,大大提升了調控金屬間的熱物理性能匹配性。研究了粉末冶金方法制備Cu2V合

6、金時獲得高致密度板材的條件,板材致密度可達99％以上。采用上述V/Cu2V復合填充層,并輔之以雙道焊接工藝,實現(xiàn)了鈦/鋼固溶體成分過渡接頭,獲得了第IV類優(yōu)化組織,接頭組織結構為:TA15/Ti(s,s)+Cu(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/Fe(s,s) Cu(s,s)/304 SS?？估瓘姸葹?92MPa,達到不銹鋼母材的75%。
　　將上述鈦/鋼電子束焊接質量調控方法向難焊異種金屬的電子束焊接進行推廣和應用。采用C

7、u2V合金對鈦/銅電子束焊接接頭組織進行調控,研究了焊接工藝的選擇準則,即在不形成焊接缺陷的前提下,應選擇盡量大的填充金屬厚度和熱輸入盡量小的焊接工藝參數(shù)。接頭最終夠實現(xiàn)了第 III類優(yōu)化組織,界面實現(xiàn)固溶體化,接頭組織結構為TA15/Ti(s,s)/(TiCu2+Ti3Cu4)+V(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/QCr0.8?？估瓘姸冗_到銅合金母材的80%以上，拉伸斷裂發(fā)生在銅母材的熱影響區(qū)。
　　作為方法的完善,研究