TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷的电弧焊试验及数值模拟研究

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TiCx-Cu(Al)金属陶瓷作为近几年发展起来的一种新型金属基复合材料,具有金属Cu和Ti3AlC2陶瓷的双重优点,因而其具有较广泛的应用前景。但由于TiCx-Cu(Al)金属陶瓷是采用粉末冶金的方法制备的,要用其制造复杂结构形状或较大尺寸的构件还有很大的困难,这就极大地限制了材料的应用。本文采用的焊接法是解决这一问题的最好方法。本文研究了TiCx-Cu(Al)金属陶瓷在不同焊接电流密度、不同拉弧持续时间、不同接合压力和不同陶瓷含量条件下的电弧焊试验,对焊后试样的接头区进行了显微结构观察和物相分析,并测试了焊接试样的四点弯曲强度和电阻率。通过对焊接试样接头区显微结构的分析,揭示了TiCx-Cu(Al)金属陶瓷在不同焊接工艺参数条件作用下的组织变化规律和物相组成变化。本文利用有限元分析软件ANSYS对焊接加热过程进行了数值模拟,研究了不同电流密度、不同拉弧持续时间、不同陶瓷含量对焊接材料内部温度场分布的影响规律,并与试验相结合确定最佳焊接工艺参数范围。另外由于焊接过程是典型的瞬态非线性热传导问题,焊后试样在冷却后会产生较大的残余应力,因此本文利用ANSYS采用间接法模拟了在不同电流密度、不同拉弧持续时间和不同陶瓷含量情况下的加热过程材料内部的应力分布情况。本文的研究表明:随着焊后焊接试样接头区致密度的提高,TiCx-Cu(Al)金属陶瓷间焊接的试样接头的强度可超过母材的强度;焊接试样接头区的物相组成主要为Cu(Al)合金相和TiCx陶瓷相;理想焊接试样接头的电阻率比母材的电阻率低;在一定的焊接工艺参数范围内,焊接试样可获得高性能,不同陶瓷含量的TiCx-Cu(Al)金属陶瓷这一最佳工艺参数范围稍有不同;应力场的云图可以较直观的反应焊接熔池的形貌,在焊接熔池的下方位置为应力最大处,在焊接材料被冷却至室温后此处是最有可能产生残余应力的地方。
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