鈦-鋼及鈦-銅電子束焊接接頭組織與力學(xué)性能研究.pdf

1、航空航天業(yè)的發(fā)展要求飛行器具有更高的推重比,用鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬能極大減輕機構(gòu)的重量,這就要求鈦合金與異種金屬具有可靠的連接質(zhì)量。
　　本文對TA15鈦合金與304不銹鋼進行了電子束焊接,設(shè)計并制備了填充金屬對接頭質(zhì)量進行調(diào)控,應(yīng)用獲得的異種金屬電子束焊接質(zhì)量調(diào)控方法對TA15鈦合金與QCr0.8鉻青銅的電子束焊接質(zhì)量進行了調(diào)控。通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀對接頭組織進行了分析;通過抗拉強度和顯微硬度對接頭力學(xué)性能

2、進行了評價;采用ANSYS有限元軟件對接頭的溫度場和應(yīng)力場進行了數(shù)值計算,并通過試驗對計算結(jié)果進行了驗證。
　　焊接性研究表明,鈦/鋼接頭在焊后形成冷裂紋,焊縫內(nèi)生成多種脆硬的Ti-Fe金屬間化合物。溫度場計算顯示,鈦/鋼電子束接頭溫度場呈非對稱分布,高溫區(qū)偏向鈦合金側(cè)。電子束焊接過程中升溫降溫速度極快,焊縫凝固過程為極端非平衡過程。應(yīng)力場計算結(jié)果表明,接頭內(nèi)存在較大殘余應(yīng)力,最大拉應(yīng)力區(qū)位于近鋼側(cè)的界面化合物區(qū),進一步惡化了接頭

3、力學(xué)性能。基于影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵問題,提出接頭性能改善的四種優(yōu)化組織模型,分別稱為I～IV型接頭組織,即塑性較好的化合物替代原始脆硬化合物;固溶體加界面金屬間化合物層組織;界面固溶體化,化合物層推向焊縫并呈分散或“齒形”分布;完全固溶體過渡組織。
　　通過能量控制和引入第三組元的冶金調(diào)控研究了實現(xiàn)優(yōu)化組織模型的可行性?；跍囟葓鲇嬎愕娜鄢匦螤铑A(yù)測方法,制定了能量調(diào)控工藝。采用鈦側(cè)偏束的方法,鈦/鋼接頭獲得了II類優(yōu)化焊縫組織,但無

4、法抑制裂紋的擴展。采用Ni、Ag、V和Cu作為冶金調(diào)控元素均能實現(xiàn)鈦/鋼電子束焊接接頭的第II類組織優(yōu)化,接頭力學(xué)性能由界面化合物層的性質(zhì)決定。其中 Cu元素作為第三組元體現(xiàn)出了更優(yōu)的焊接工藝性和接頭力學(xué)性能,接頭峰值溫度將低,殘余應(yīng)力減小。焊接速度和束流通過影響界面化合物層的厚度控制接頭性能,接頭最高強度可達310MPa。第三組元的加入稀釋了待焊母材主要元素在熔池中的濃度,改善了金屬間化合物的數(shù)量、分布、尺寸和種類,提高了接頭力學(xué)性能

5、。第II類優(yōu)化組織中由于界面化合物層的存在,使得接頭的力學(xué)性能提高受到極大的限制。
　　為進一步提升鈦/鋼電子束焊接接頭性能,設(shè)計了V/Cu復(fù)合填充層,并獲得了第 III類優(yōu)化接頭組織類型。由于填充層熱物理性能差異較大,焊接工藝優(yōu)化困難,焊接缺陷難以避免。通過基于溫度場計算的熔池形狀提取方法和熱導(dǎo)率理論預(yù)測,設(shè)計了Cu2V合金代替V/Cu復(fù)合填充層中的Cu層,大大提升了調(diào)控金屬間的熱物理性能匹配性。研究了粉末冶金方法制備Cu2V合

6、金時獲得高致密度板材的條件,板材致密度可達99％以上。采用上述V/Cu2V復(fù)合填充層,并輔之以雙道焊接工藝,實現(xiàn)了鈦/鋼固溶體成分過渡接頭,獲得了第IV類優(yōu)化組織,接頭組織結(jié)構(gòu)為:TA15/Ti(s,s)+Cu(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/Fe(s,s) Cu(s,s)/304 SS?？估瓘姸葹?92MPa,達到不銹鋼母材的75%。
　　將上述鈦/鋼電子束焊接質(zhì)量調(diào)控方法向難焊異種金屬的電子束焊接進行推廣和應(yīng)用。采用C

7、u2V合金對鈦/銅電子束焊接接頭組織進行調(diào)控,研究了焊接工藝的選擇準(zhǔn)則,即在不形成焊接缺陷的前提下,應(yīng)選擇盡量大的填充金屬厚度和熱輸入盡量小的焊接工藝參數(shù)。接頭最終夠?qū)崿F(xiàn)了第 III類優(yōu)化組織,界面實現(xiàn)固溶體化,接頭組織結(jié)構(gòu)為TA15/Ti(s,s)/(TiCu2+Ti3Cu4)+V(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/QCr0.8。抗拉強度達到銅合金母材的80%以上，拉伸斷裂發(fā)生在銅母材的熱影響區(qū)。
　　作為方法的完善,研究