塊體鋯基非晶合金焊接物理冶金機理的研究.pdf

1、非晶合金以其高的強度、耐磨性、耐蝕性、優(yōu)良的軟磁性和低磁損耗等特點，開始在電子、機械、化工等行業(yè)得到應(yīng)用。隨著非晶合金研究的深入和發(fā)展，非晶合金必將擁有更為廣闊的工程應(yīng)用前景。工程應(yīng)用中非晶合金的連接是一個無法回避的問題，因而焊接問題顯得尤為重要。本文就塊體非晶合金在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生晶化的機理、結(jié)晶抑制方法以及摩擦焊連接塊體非晶合金的內(nèi)因進行了研究，上述關(guān)于非晶合金焊接物理冶金的基礎(chǔ)性研究，對于非晶合金的工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究具有非常重

2、要的意義。 本文首次采用激光焊接技術(shù)連接塊體非晶合金Zr45Cu48Al7。微區(qū)X 射線衍射結(jié)果顯示：當(dāng)功率為1200W，光斑直徑為0.3mm，焊接速率為8m/min，Ar 氣保護時，焊接熱影響區(qū)和焊縫內(nèi)的合金均保持了非晶特性，成功地實現(xiàn)了塊體非晶合金Zr45Cu48Al7 的激光焊接；DSC 實驗結(jié)果顯示：焊接接頭和母材合金具有相同的熱特性。本文以復(fù)合熱源激光穿透焊接模型為基礎(chǔ)，模擬了焊接速率為8m/min 時，焊接熱影響區(qū)和

3、焊縫的溫度場變化。結(jié)果顯示，焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)的合金溫度在0.5s之內(nèi)快速冷卻到369°C，遠(yuǎn)低于該非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg=436°C)，整個接頭保持了非晶特性。 首次采用激光靜止點熱源加熱塊體非晶合金，系統(tǒng)分析了接頭的組織、構(gòu)成演變、晶粒形貌特征和物理冶金機理。 結(jié)果顯示： （1）熱影響內(nèi)非晶合金的晶化是關(guān)于非晶合金熱穩(wěn)定性的問題；熔化區(qū)內(nèi)非晶合金的晶化是關(guān)于塊體非晶合金的非晶形成能力的問題。塊體非晶合金加

4、熱過程中抑制晶化所需的臨界加熱速率遠(yuǎn)大于液態(tài)合金冷卻過程中抑制晶化所需的臨界冷卻速率，且制備態(tài)的塊體非晶合金內(nèi)存在著原子團簇和晶核，因此，在同一焊接工藝規(guī)范條件下，熱影響區(qū)內(nèi)的非晶合金比焊縫內(nèi)的合金更容易晶化。激光成功焊接塊體非晶合金的關(guān)鍵在于抑制熱影響區(qū)內(nèi)合金的晶化。 （2）塊體非晶合金的晶粒最大線生長速率所對應(yīng)的溫度值遠(yuǎn)大于非晶合金最大形核率所對應(yīng)的溫度值，焊接熱影響區(qū)內(nèi)沿半徑方向不同位置處非晶合金加熱速率的不同，造成由熔合

5、區(qū)向母材方向上不同位置處的非晶合金晶化時晶粒的生長速率和形核速率的不同。當(dāng)激光點光源作用塊體非晶合金時間為2s 時，導(dǎo)致熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒離母材越近，尺寸越小。隨著激光作用時間的減少，焊接熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸逐步趨向一致，當(dāng)激光作用塊體非晶合金的時間為0.04s 時，整個熱影響區(qū)內(nèi)的合金保持了非晶特性。 （3）由于塊體非晶合金具有很強的抑制晶粒長大能力，使得柱狀晶組織在焊縫內(nèi)得不到充分的長大，隨著激光作用于塊體非晶合金時間的減少，

6、柱狀晶尺寸也隨之減小。當(dāng)激光點光源作用于塊體非晶合金的時間為0.08s 時，焊縫內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)柱狀晶，在熱影響區(qū)和焊縫的交界處存在著半熔化的晶粒；當(dāng)作用時間為0.06s 時，熔合區(qū)也從接頭中消失。 由于DSC 的最大加熱速率為500K/min，而當(dāng)前大部分塊體非晶合金的臨界加熱速率均大于500K/min，因此，目前塊體非晶合金的連續(xù)加熱相變曲線（CHT）的求解具有一定的難度。本文首次利用熱影響區(qū)和母材交界處的臨界位置處的熱循環(huán)曲線與

7、該合金的CHT 相切這一關(guān)系，采用了一種切實可行的方法求解塊體非晶合金的CHT，解決了塊體非晶合金領(lǐng)域的一個難點。 塊體非晶合金的均勻變形通常發(fā)生在較高溫度范圍（>0.70 Tg，Tg 為玻璃轉(zhuǎn)變溫度），并且其形變顯示出極大的超塑特性。本文采用摩擦焊連接技術(shù)，連接具有大超冷塑性溫度區(qū)間的塊體非晶合金Zr65Cu12.5Al7.5Ni15，所用焊接工藝規(guī)范為：轉(zhuǎn)速2500r/min，摩擦?xí)r間0.5s，摩擦壓力100MPa，頂鍛時間