鈦合金與鋁基復合材料連接界面化合物形成機制及超聲釬焊工藝研究.pdf

1、高體積分數(shù)顆粒增強鋁基復合材料具有高剛度、低膨脹等性能，已經(jīng)應用于航空航天等很多工業(yè)領域，但是由于其陶瓷顆粒過多，難以直接進行機械加工，限制了這種復合材料的應用范圍。如果在復合材料需要加工的表面上先焊接鈦合金，再進行機械加工，就能夠在保持其良好性能的前提下，明顯改善其加工性能。研究鈦合金/高體積分數(shù)顆粒增強鋁基復合材料復合構(gòu)件的焊接具有重要的理論意義和潛在的應用價值，為此本文以TC4鈦合金和55％SiCp/ZL101A復合材料為主要研究

2、對象進行了系統(tǒng)研究，提出了預涂覆超聲輔助釬焊工藝。
　　影響這兩種材料焊接接頭力學性能的主要問題有四個方面，接頭中鈦側(cè)界面化合物具有較大的脆性；鈦合金與鋁合金焊接性能并不穩(wěn)定，工藝也不成熟；鈦合金與復合材料接頭殘余應力大；復合材料中陶瓷增強相顆粒與釬料金屬難潤濕。針對以上存在的問題，本文首先研究了鈦合金與鋁合金界面化合物的組織與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對脆性化合物 TiAl3的有效控制；其次研究了鈦合金與鋁合金超聲輔助釬焊工藝，闡明了影響接頭

3、力學性能和斷裂機制的本質(zhì)因素；接著研究了超聲波作用下增強相顆粒在液態(tài)釬料中的遷移規(guī)律，獲得了以化合物顆粒和陶瓷顆粒增強鈦合金/復合材料焊縫的接頭，有效地降低了接頭的殘余應力；最后提出了超聲波作用下陶瓷增強相顆粒與釬料合金的結(jié)合方式，實現(xiàn)了增強相陶瓷顆粒與釬料合金的反應結(jié)合，為鈦合金與鋁基復合材料可靠精密連接提供了新途徑。
　　通過 TEM、HREM和選區(qū)電子衍射花樣，確定了鈦合金與液態(tài)純鋁及鋁硅合金反應生成化合物的種類和形態(tài)，并分

4、析了化合物的形成與生長機制。研究了工藝參數(shù)（溫度、時間和冷卻條件）、Si元素和超聲波對界面化合物的影響規(guī)律。證明了在800℃所生成的化合物 TiAl3降低溫度至730℃時會與Si反應生成τ1。發(fā)現(xiàn)了超聲波能顯著加速鈦合金與液體鋁合金的反應。通過對界面反應產(chǎn)物的硬度和斷裂韌性的分析，得到了鈦/鋁界面反應產(chǎn)物的力學性能變化規(guī)律，即隨著化合物中Si含量的增加，化合物的顯微硬度、納米硬度和彈性模量都呈現(xiàn)增高趨勢。
　　基于界面物相精確鑒定

5、，研究了鈦合金/浸鋁層界面化合物與液態(tài)鋅鋁釬料中的反應過程，并揭示了在超聲波作用下420℃時鈦合金表面的化合物TiAl3與鋅鋁硅釬料中的Si元素發(fā)生界面反應的機理。發(fā)現(xiàn)了在超聲波作用下液態(tài)鋅鋁硅釬料中的Si元素向鈦合金表面擴散且產(chǎn)生集聚，同時Si會在TiAl3化合物中產(chǎn)生固溶。當超過 TiAl3固溶度時，Si會與TiAl3發(fā)生反應生成τ1。確定了整個反應過程中超聲波加速了釬料對鈦合金表面浸鋁層的溶解，加快了Si在TiAl3中的固溶，同時

6、提高了固液界面的反應溫度。
　　通過系統(tǒng)工藝試驗，研究了鈦合金與鋁合金的超聲輔助釬焊工藝，實現(xiàn)了鈦合金與鋁合金的可靠精密連接。發(fā)現(xiàn)了當鈦合金熱浸鋁后焊接，浸鋁時生成的化合物會保留在接頭中。拉伸測試時，接頭完全斷裂在反應層中。經(jīng)過 DIC分析，有浸鋁層的接頭，應變變化最大處在鈦合金與浸鋁層的界面反應層上，反應層最先出現(xiàn)裂紋。當鈦合金熱浸鋁合金再超聲浸釬料后焊接，浸鋁時所生成的化合物 TiAl3與釬料發(fā)生反應，生成片層狀τ1相。同時浸

7、釬料可以使較厚的TiAl3層變薄，當界面層表現(xiàn)為片層狀結(jié)構(gòu)時，鈦/鋁接頭最高抗拉強度可達219MPa，拉伸測試時接頭完全斷裂在釬料中。經(jīng) DIC分析，在 Zn-Al共晶組織中最先產(chǎn)生裂紋。
　　針對鈦合金/高體積分數(shù)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的焊接接頭殘余應力高等問題，研究了 TiAl3顆粒與SiC顆粒在液態(tài)鋅鋁釬料中的遷移規(guī)律，實現(xiàn)了不同體積分數(shù) TiAl3和SiC顆粒增強的焊縫組織接頭，能有效降低接頭的殘余應力。發(fā)現(xiàn)當鈦合金浸

8、鋁時間少于15min并將超聲波加載在復合材料側(cè)15s可以實現(xiàn)約25%SiC顆粒增強的焊縫；鈦合金浸鋁時間大于60min并將超聲波加載在鈦合金側(cè)5s并保溫20min可以實現(xiàn)10%TiAl3顆粒增強的焊縫；鈦合金浸鋁時間多于60min并在復合材料側(cè)加載超聲10s后保溫10min可以實現(xiàn)35%TiAl3顆粒和SiC顆?；旌显鰪姷暮缚p。揭示了在超聲波的作用下鋅鋁釬料與SiC增強相顆粒的界面結(jié)合方式。發(fā)現(xiàn)超聲波作用5s時，釬料與SiC顆粒產(chǎn)生物理