【摘 要】
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随着航空、航天工业领域的快速发展,对金属结构材料高强、高韧、轻质、耐高温等性能的要求愈加强烈,单独的块体材料已不能满足现代工业的需求。寻求性能多样化的组合,即多种材料的性能复合化成为目前的一大重要研究方向。复合材料也因此应运而生,Ti/Ti Al3叠层复合材料便是其中的典型代表,其高强、高韧、轻质等优异的综合性能,在航空航天、能源动力等领域具有广阔的应用前景,受到各国研究者的热烈追捧。然而,由于T
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随着航空、航天工业领域的快速发展,对金属结构材料高强、高韧、轻质、耐高温等性能的要求愈加强烈,单独的块体材料已不能满足现代工业的需求。寻求性能多样化的组合,即多种材料的性能复合化成为目前的一大重要研究方向。复合材料也因此应运而生,Ti/Ti Al3叠层复合材料便是其中的典型代表,其高强、高韧、轻质等优异的综合性能,在航空航天、能源动力等领域具有广阔的应用前景,受到各国研究者的热烈追捧。然而,由于Ti/Ti Al3叠层复合材料制备方法及设备的限制,很难获得大尺寸板材,并且特殊的构型化设计直接导致了其连接存在着诸多问题,由此限制了其应用。因此,势必需要一种或几种叠层复合材料高效率、高质量的连接方法。本文采用钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）两种焊接方法,分别对2mm和5mm两种厚度的板材进行对接焊,均获得了良好的对接接头。待焊材料是由0.5mm的TC4薄板和0.2mm的纯铝薄片交替排列后在真空热压机中压制而成,随后对真空热压获得的叠层板材进行了热轧+退火工艺,大大增强了层间结合强度,有效避免了焊接过程中层间开裂的现象发生。采用金相显微镜进行显微组织观察和分析,金相试样采用硝酸:氢氟酸:水=3:1:7的混合溶液腐蚀焊接接头（焊缝、熔合区、热影响区）组织;采用显微硬度计对焊接接头进行显微硬度测量,载荷9.8k N,加载时间15秒;采用拉伸试验机按GB/T2651-2008测定焊接接头的抗拉强度;通过X射线衍射仪（XRD）、场发射电子探针（EPMA）、扫面电子显微镜（SEM）对试样接头相组成、元素分布、以及断口形貌进行分析,进而找出适用此类材料的焊接方法,并探究金属间化合物在焊接过程中的行为,揭示熔焊接头的内在连接原理。采用TIG焊对2mm厚Ti/Ti Al3金属间化合物叠层复合材料进行平板对接焊,研究了焊接速度、焊接电流以及弧长等参数对焊接接头组织和力学性能的影响。经热轧处理的Ti/Ti Al3叠层复合材料,可通过TIG焊实现可靠连接,避免接头脆化现象发生。板材底部的金属间化合物在焊接过程中受热辐射影响发生熔化,液态Ti Al3和Ti反应生成Ti3Al、Ti Al等,使金属间化合物周围产生Ti原子贫化区,加速了Ti原子的扩散迁移,导致接头侧面形貌分为两部分:上部为熔化再凝固的焊缝区,底部为由热辐射引起扩散连接。接头整体无明显缺陷,焊缝区微观形貌呈网状组织,由α相和针状马氏体α’相组成,焊接接头抗拉强度平均达到343MPa,约为母材的90%,断裂形式为韧脆混合型断裂。采用MIG焊对5mm厚Ti/Ti Al3叠层复合材料进行平板对接焊,坡口形式为70°V型坡口,钝边厚度1mm,底部预留间隙1mm。以TC4焊丝作为填充金属,焊缝底部垫带有成型槽的紫铜板便于背部成形。所获接头成形良好,无明显焊接缺陷,接头拉伸强度高于母材,面弯及背弯平均强度分别达到1189MPa和1050MPa。基于2mm TIG焊接头连接机理和5mm MIG焊接头性能,采用MIG焊对10mm厚Ti/Ti Al3叠层复合材料进行焊接试验,坡口形式为70°双V型坡口并采用圆弧过度的方式对坡口底部进行平滑处理,过渡半径为10mm,钝边厚度2mm,底部不留间隙,以TC4焊丝作为填充金属。此种方式可有效降低热输入,避免在采用深V型坡口多道焊接时,由于应力集中而导致纵向裂纹的发生。
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