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(jī)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(duì)TA15鈦合金與304不銹鋼進(jìn)行了電子束焊接,設(shè)計(jì)并制備了填充金屬對(duì)接頭質(zhì)量進(jìn)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(duì)TA15鈦合金與QCr0.8鉻青銅的電子束焊接質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)控。通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線(xiàn)衍射儀對(duì)接頭組織進(jìn)行了分析;通過(guò)抗拉強(qiáng)度和顯微硬度對(duì)接頭力學(xué)性能

2、進(jìn)行了評(píng)價(jià);采用ANSYS有限元軟件對(duì)接頭的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)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(chǎng)計(jì)算顯示,鈦/鋼電子束接頭溫度場(chǎng)呈非對(duì)稱(chēng)分布,高溫區(qū)偏向鈦合金側(cè)。電子束焊接過(guò)程中升溫降溫速度極快,焊縫凝固過(guò)程為極端非平衡過(guò)程。應(yīng)力場(chǎng)計(jì)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(jìn)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(wèn)題,提出接頭性能改善的四種優(yōu)化組織模型,分別稱(chēng)為I～I(xiàn)V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(guò)渡組織。
　　通過(guò)能量控制和引入第三組元的冶金調(diào)控研究了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組織模型的可行性?；跍囟葓?chǎng)計(jì)算的熔池形狀預(yù)測(cè)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(lèi)優(yōu)化焊縫組織,但無(wú)

4、法抑制裂紋的擴(kuò)展。采用Ni、Ag、V和Cu作為冶金調(diào)控元素均能實(shí)現(xiàn)鈦/鋼電子束焊接接頭的第II類(lèi)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(guò)影響界面化合物層的厚度控制接頭性能,接頭最高強(qiáng)度可達(dá)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(lèi),提高了接頭力學(xué)性能

5、。第II類(lèi)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(jìn)一步提升鈦/鋼電子束焊接接頭性能,設(shè)計(jì)了V/Cu復(fù)合填充層,并獲得了第 III類(lèi)優(yōu)化接頭組織類(lèi)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(guò)基于溫度場(chǎng)計(jì)算的熔池形狀提取方法和熱導(dǎo)率理論預(yù)測(cè),設(shè)計(jì)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(shí)獲得高致密度板材的條件,板材致密度可達(dá)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(shí)現(xiàn)了鈦/鋼固溶體成分過(guò)渡接頭,獲得了第IV類(lèi)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?qiáng)度為392MPa,達(dá)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(jìn)行推廣和應(yīng)用。采用C

7、u2V合金對(duì)鈦/銅電子束焊接接頭組織進(jìn)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(lèi)優(yōu)化組織,界面實(shí)現(xiàn)固溶體化,接頭組織結(jié)構(gòu)為T(mén)A15/Ti(s,s)/(TiCu2+Ti3Cu4)+V(s,s)/V(s,s)+Cu(s,s)/QCr0.8?？估瓘?qiáng)度達(dá)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