異質(zhì)金屬摩擦焊及其大變形超擴散行為研究.pdf

1、摩擦焊是解決異質(zhì)材料連接最具潛力的方法，在新一代飛機、火箭、艦載設(shè)備等制造中有十分重要的需求。異質(zhì)摩擦焊接頭工藝和冶金質(zhì)量的可靠性與穩(wěn)定性一直是研究者關(guān)注的重點。其中，反應(yīng)組配金屬間化合物的控制，固溶組配固溶厚度的控制，焊接性差的組配焊接性的獲得，這些冶金學(xué)問題都是異質(zhì)金屬摩擦焊質(zhì)量穩(wěn)定性面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)均涉及一個基礎(chǔ)科學(xué)問題，即摩擦焊大變形過程中的界面原子擴散行為。
　　本文針對典型的軟/硬異質(zhì)組配(Al-SUS、Al-TC

2、4及Mg-SUS)，開展了攪拌摩擦焊工藝的設(shè)計與實驗研究，討論了軟/硬異質(zhì)金屬組配的界面冶金結(jié)合機制與擴散行為。設(shè)計了不同相溶性的異質(zhì)純金屬互擴散偶，進行了旋轉(zhuǎn)摩擦焊大變形實驗，探索了原子的擴散規(guī)律和微觀機制，分析了擴散系數(shù)與應(yīng)變速率的相互關(guān)系，構(gòu)建了熱力耦合超擴散和變形激活擴散的具體表征?；谟行囟?，對材料在大變形熱力耦合過程中非平衡組織演變規(guī)律提出新的解釋。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　首先，設(shè)計切削攪拌針，進行性能差異較大

3、的軟/硬異質(zhì)金屬Al-SUS、Al-TC4和Mg-SUS的攪拌摩擦焊實驗研究，成功驅(qū)動了界面摩擦焊大變形機制，獲得了優(yōu)化的焊接工藝，使接頭達到與較軟母材等強。通過界面形貌觀測及成分分析，揭示了軟/硬異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊的界面結(jié)合機理，即，界面兩側(cè)金屬相互穿插的機械咬合機理，以及界面存在互擴散層和非晶相的冶金結(jié)合機理。通過與平衡態(tài)熱激活擴散研究比較，發(fā)現(xiàn)了Al-SUS、Al-TC4互溶與反應(yīng)組配的攪拌摩擦焊過程中，存在界面原子的超擴散現(xiàn)象，

4、其中Al-SUS接觸界面Al-Fe擴散層厚度介于1~3.5μm，計算表明Al-Fe擴散速率為相同溫度熱激活擴散速率的104倍。在Mg-Fe(Mg-SUS組配)完全不互溶體系中也發(fā)現(xiàn)了原子的互擴散現(xiàn)象。
　　其次，在發(fā)現(xiàn)摩擦焊大變形過程中的原子超擴散現(xiàn)象的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建了類似旋轉(zhuǎn)摩擦焊的摩擦焊大變形物理模擬裝置，利用高速攝像、紅外熱成像以及自制的力學(xué)測量系統(tǒng)等搭建測試平臺。以此模擬裝置的物理模擬實驗為基礎(chǔ)，從擴散的熱激活影響角度，設(shè)

5、計以異質(zhì)互擴散偶(完全互溶體系Cu-Ni，互不相溶體系Mg-Ti、Cu-Fe(摩擦焊溫度下不相溶)，和反應(yīng)體系Cu-Al)為研究對象進行摩擦焊大變形模擬實驗，系統(tǒng)觀測了界面微觀形貌和原子擴散行為。上述擴散組配均獲得了界面結(jié)合良好的接頭，其中，Cu-Ni完全互溶體系與Cu-Al反應(yīng)體系的界面出現(xiàn)了寬度較大的擴散層，該擴散層呈現(xiàn)顏色漸變(前者)或分層(后者)過渡的特點，體現(xiàn)了熱激活擴散與變形激活擴散的耦合促進作用；對Mg-Ti、Cu-Fe不

6、互溶體系，界面過渡區(qū)域不明顯，但仍發(fā)現(xiàn)了擴散層，因其熱激活擴散的作用微乎其微，這種擴散層的存在與界面結(jié)合良好的現(xiàn)象體現(xiàn)了變形激活擴散機制的貢獻。分別獲得了Cu-Ni、Cu-Fe和Mg-Ti組配在不同應(yīng)變速率條件下的擴散系數(shù)。
　　再次，通過不同應(yīng)變速率ε對Cu-Ni、Cu-Fe和Mg-Ti體系熱力耦合超擴散系數(shù)Ds影響規(guī)律的分析，獲得了Ds與ε間的線性關(guān)系模型，即y=A+Bx，經(jīng)外推可得到摩擦焊大變形過程中的熱激活擴散的貢獻，即公

7、式中A部分，而Bx部分即可以認為是摩擦焊大變形過程中的變形激活擴散的貢獻?；谀Σ梁复笞冃芜^程的溫度場分布，分析、評價熱激活擴散對熱力耦合超擴散的影響，進而分析變形激活擴散系數(shù)與應(yīng)變速率的關(guān)系，并在Bellon變形激活擴散系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，獲得了熱力耦合超擴散系數(shù)Ds、形激活擴散系數(shù)Db的具體表征，即：Ds(T,ε)=Dt+Db和Db=K2ε，建立了摩擦焊大變形界面原子擴散的理論模型。
　　最后，對以絕對零度(環(huán)境)為基準(zhǔn)的Lun