非晶鋯合金與鋁合金超塑性變形連接接頭性能及連接機理.pdf

1、非晶合金 Zr55Cu30Ni5Al10以其獨特的結構及優(yōu)良的力學、化學和物理等性能成為一種具有潛在應用價值的結構和功能材料。由于非晶合金在實際應用中的要求，需要實現(xiàn)非晶合金和非晶合金以及非晶合金和晶態(tài)合金的連接。目前應用于非晶合金較為成熟的焊接方法主要為激光焊、電子束焊及摩擦焊。當非晶合金待焊面較大時，基于其在過冷液相區(qū)內(nèi)的超塑性性能，超塑性變形連接具有其它焊接方法所不具有的優(yōu)勢。本研究旨在實現(xiàn)非晶合金和非晶合金以及非晶合金和鋁合金的

2、超塑性變形連接，通過預摩擦工藝以及氬離子輻照工藝對非晶合金表面氧化膜進行了焊前去除，確定了非晶合金表面的氧化膜對超塑性變形連接接頭界面結構以及性能的影響規(guī)律。根據(jù)非晶合金的性能及力學理論，建立了非晶合金和非晶合金、非晶合金和晶態(tài)鋁合金的超塑性變形連接模型。該模型成功闡明了超塑性變形連接過程中原子擴散機制及塑性變形機制的貢獻，并通過焊接接頭的強度及界面氧化膜殘余率對模型進行了驗證。
　　探討了非晶合金 Zr55Cu30Ni5Al10

3、進行超塑性變形連接的兩大難點：非晶合金表面致密的氧化膜及較低的原子擴散系數(shù)。通過光電子能譜探測了非晶合金表面氧化膜的主要成分，確定了氧化膜的主要成分為 Al2O3和ZrO2，元素 Ni和Cu在氧化膜中的含量較少。通過熱分析技術確定了非晶合金進行超塑性變形連接的連接溫度及連接時間，較為適宜的連接溫度為440℃，連接時間為15-25min。
　　為了解決非晶合金表面氧化膜的問題，本研究自行設計并制作了一套預摩擦裝置，以達到去除樣品待焊

4、接表面氧化膜的目的。本研究分別采用超塑性變形連接方法、預摩擦輔助超塑性變形連接方法對非晶合金和非晶合金、非晶合金和晶體鋁合金進行了連接。結果表明，采用預摩擦輔助超塑性變形連接方法獲得的接頭質(zhì)量明顯高于直接采用超塑性變形連接獲得的接頭質(zhì)量。對于采用預摩擦輔助超塑性變形連接獲得的接頭，接頭強度隨預摩擦時間及連接時間的增加而逐漸增加。當連接溫度為440℃，連接時間低于25min時，焊后接頭未發(fā)生晶化；當連接時間延長至30min時，焊后接頭組織

5、中出現(xiàn) Zr2Ni，Zr2Cu和Cu10Zr7晶化相。
　　本研究除采用預摩擦工藝對非晶合金及鋁合金表面進行焊前處理外，還探索使用了氬離子束輻照工藝對非晶合金及鋁合金表面進行焊前處理。在低真空環(huán)境中通過1keV氬離子束對樣品進行輻照，去除樣品表面的氧化膜，并立刻進行超塑性變形連接。本研究采用等離子體輔助超塑性變形連接方法分別對非晶合金和非晶合金以及非晶合金和晶態(tài)鋁合金進行了超塑性變形連接，結果表明氬離子束輻照工藝去膜效果明顯，采用

6、等離子體輔助超塑性變形連接方法獲得的接頭質(zhì)量明顯高于直接采用超塑性變形連接方法獲得的接頭。焊前氬離子束輻照時間越長，焊接接頭的強度越高，但較長時間的輻照會造成非晶合金表面層在連過程中發(fā)生晶化。比較適宜的氬離子束輻照時間為10-20min，連接溫度為440℃，連接時間為15-20min。對于非晶合金和晶態(tài)鋁合金焊接，當離子束輻照時間為180min時，獲得的接頭的強度為108.4±5.8MPa，達到鋁合金母材強度的49.54％。
　　

7、根據(jù)非晶合金的性能及力學理論，結合目前已有的晶態(tài)材料擴散連接模型建立了非晶合金和非晶合金、非晶合金和鋁合金的超塑性變形連接模型。對于非晶合金和非晶合金的超塑性變形連接，當連接溫度為440℃，連接壓力為120MPa時孔洞形成階段完成后接頭接合面分數(shù)約為18.5%；在孔洞閉合階段塑性變形機制對孔洞的閉合過程起主要作用，而原子擴散機制對孔洞閉合的貢獻比塑性變形機制低約六個數(shù)量級。通過接頭強度及接頭界面處氧化膜殘余率可知，該模型與試驗較為吻合。