Ti/Al“搅拌摩擦点焊—钎焊”复合焊接工艺及机理研究

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Ti/Al异种金属复合结构因具有质量轻、强度高等优点成为目前需要重点突破的关键技术之一。本研究主要采用热浸渗Al-Si钎料技术、“搅拌摩擦点焊-钎焊”复合焊接技术对Ti/Al异种金属进行焊接,研究了工艺参数(渗铝工艺和焊接工艺)对接头力学性能的影响规律,通过断口分析阐明了搅拌摩擦点焊-钎焊复合接头的断裂机制;对比分析了搅拌摩擦点焊-钎焊(Friction Stir Spot Welding-Brazing,FSSW-B)复合焊接接头和搅拌摩擦钎焊(Friction Stir Spot Brazing,FSSB)接头的力学性能,对钎焊的辅助效果进行了量化计算;同时采用SEM、EDS等分析测试方法分析了接头的微观组织及界面结构,并对FSSW-B接头形成机理进行了研究,揭示了复合接头的强化机制。研究结果表明:FSSW-B复合接头抗拉剪力随着搅拌头旋转速度和焊接停留时间的增加呈先上升后下降的趋势,而渗铝时间对复合接头的影响总体表现为逐渐下降的趋势,当渗铝时间为5min、搅拌头转速为1180rpm、焊接停留时间为18s时,接头的最大抗拉剪力达到15.8kN,与现有水平相比,提高了13.9%。FSSB接头抗拉剪力随Si含量的减少或焊接停留时间的增加,均呈先增加后减小的趋势,当Si含量为8wt%,焊接停留时间为30s时,FSSB接头强度达到11.5kN的最大值,为目前Ti/Al异种金属无匙孔点焊连接所能达到强度的最高水平。FSSW-B复合接头中钎焊区的强度约占整个复合接头强度的40.35%,钎焊辅助对复合接头能起到明显的强化作用。Ti/Al异种金属搅拌摩擦点焊-钎焊复合焊接接头在拉剪过程中主要呈脆性断裂。接头的断裂模式主要为沿着两板界面的剪切断裂和焊核脱离断裂混合断裂,沿着两板界面的剪切断裂主要发生在钎焊区,且断裂主要发生在渗铝层,钎焊区完全断裂后,点焊区才开始断裂,其断裂模式主要为焊核脱离断裂。FSSW-B复合接头点焊区域,由于Zn对塑形流动金属的润滑作用,结合区Ti/Al异种金属混合程度大,Ti、Al互扩散现象明显,Hook界面结构主要为非连续性分布的层片状TiAl相,其附近结合区主要为弥散分布的TiAl相。TiAl相由初生相TiAl3转化而成,其分布状态对接头起到明显的强化作用,主要表现为结合区的弥散强化和Hook界面区强化。钎焊区靠近搅拌针位置的界面结构主要为Al母材/Al0.403Zn0.597金属间化合物层/α(Al)/Ti7Al5Si12/Ti母材,而在远离搅拌针位置的界面结构主要为Al母材/Al0.403Zn0.597金属间化合物层/Zn层/Al0.403Zn0.597金属间化合物层/α(Al)/Ti7Al5Si12/Ti母材。渗铝过程中,Si元素能够明显抑制Ti元素向渗铝液中的溶解,并在钛合金表面形成Ti7Al5Si12化合物层和表面渗铝层,同时Si元素在渗铝层中发生偏聚,成为Zn原子的扩散通道,大量Zn原子扩散进入渗铝层,对渗铝层起到明显的固溶强化作用,钎焊区强度提高。FSSW-B复合接头强化机制主要为TiAl相强化、渗铝层固溶强化以及钎焊辅助强化。
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