Ti-Al異種金屬攪拌摩擦焊接頭組織性能研究.pdf

1、Ti/Al異種金屬結(jié)構(gòu)在航空航天、高速鐵路等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景,但其焊接性差、焊接難度大。論文采用攪拌摩擦焊技術(shù)對3mm厚TC4鈦合金和2A14鋁合金異種金屬進行了連接,研究了焊接工藝對焊縫成形及接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律,并采用SEM、TEM、微區(qū)XRD等分析測試手段,分析了接頭微觀組織結(jié)構(gòu)、脆性相的形成機制及其對接頭性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:
　　對于Ti/Al異種金屬的攪拌摩擦焊,攪拌針軸線偏向鋁合金母材、與Ti/Al對接面

2、間的距離(偏移量,δ)對Ti/Al攪拌摩擦焊的焊縫成形和接頭抗拉強度有顯著影響,適當增加偏移量有利于獲得性能較好的接頭。δ=1mm時,接頭容易產(chǎn)生縱向裂紋;δ=2mm、δ=2.5mm時,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度(n)在400r/min~700r/min,焊接速度(V)在20mm/min~80mm/min時,均能獲得較優(yōu)焊縫成形。δ=2.5mm時,接頭抗拉強度隨旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度的增加先增大后減小,當n=700r/min、V=60mm/min,接頭

3、抗拉強度為346.7MPa,達到鋁合金母材的82.5％。
　　焊接接頭的拉伸斷裂位置有斷裂于熱影響區(qū)、鈦合金/焊核界面、Ti顆粒富集區(qū)三種。熱影響區(qū)斷裂方式為微孔聚集型斷裂;界面處斷裂方式為脆斷;Ti顆粒富集區(qū)是由鈦顆粒間的相互作用所形成的孔洞缺陷造成的。
　　Ti/Al接頭中,焊核區(qū)組織有分層現(xiàn)象:上部為條狀細晶區(qū)、中部為鋁合金動態(tài)再結(jié)晶區(qū)、下部為鈦顆粒塑化區(qū)。前進邊分布尺寸小的“流線型”鈦顆粒;返回邊分布尺寸大的“板條狀

4、”鈦顆粒,沿板厚方向定向分布,易形成孔洞缺陷。增加偏移量,接合面組織由再結(jié)晶鋁合金變?yōu)門i/Al相間分布,焊核中孔洞數(shù)量減少,組織為洋蔥環(huán)形貌;增大旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度,鋁合金再結(jié)晶區(qū)縮小,洋蔥環(huán)面積增大,焊核中鈦顆粒分布均勻,接頭力學(xué)性能優(yōu)異;進一步增大旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度,塑化鈦合金流動面積減小,組織雜亂無規(guī)律,接頭力學(xué)性能變差。
　　Ti/Al接頭中主要有TiAl3和TiAl兩種脆性相,在塑化鈦合金流經(jīng)區(qū)生成。TiAl相存在于焊

5、核中,是Ti、Al原子通過擴散反應(yīng)形成的,其尺寸為納米級別、呈光滑橢球形,數(shù)量較少、未連成片狀,對接頭起彌散強化作用。TiAl3相存在于鈦顆粒與鋁基交界處,以Ti/TiAl3/Al相間分布的形式。鈦合金/焊核界面處生成了厚度很薄(約幾微米)片層狀的Ti/TiAl3/Al混合組織和TiAl相。隨δ增加,接頭中脆性相數(shù)量減少;增大旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度,脆性相種類發(fā)生變化,由單一的TiAl3變?yōu)門iAl3、TiAl相,TiAl相數(shù)量呈現(xiàn)先增加后