铝锂合金的高能束焊及其接头的组织与性能研究

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铝锂合金具有低密度、高比强度、良好的耐蚀性及超塑成形性能等优点,是目前航空航天工业中最具潜力的新型结构材料。以真空电子束焊、激光焊为代表的高能束焊接方法具有能量集中、焊接热影响区窄、焊件变形小等特点,用于铝锂合金的焊接具有明显优势。然而,铝锂合金在熔化焊接过程中存在易产生焊缝气孔、热裂纹及接头区软化等问题,在一定程度上限制了其在工业生产中的应用。本文针对2195铝锂合金,分别进行电子束焊和激光焊,分析不同工艺条件下接头显微组织的演变规律,优化焊接工艺参数;对比研究焊态下两种接头的显微组织与力学性能。针对焊态下接头区存在软化问题,焊后对两种接头分别进行固溶+单级和双级时效热处理,分析研究焊后热处理对接头显微组织与力学性能的影响,以进一步提高焊接接头的强度系数。论文中进行的主要研究工作及其试验研究结果如下:(1)对不同焊接参数下2195铝锂合金电子束焊及激光焊接头的组织演变进行分析研究,结合对接头的力学性能测试,优化确定焊接工艺参数。结果表明,电子束焊接头靠近熔合线的焊缝侧存在一个窄的等轴细晶区。焊缝区主要为等轴晶,还存在一些树枝晶。焊态下电子束焊接头焊缝的主要组成相为α(Al),同时存在少量的θ、δ’和β’等强化相;其中,θ相和δ’相作为主要强化相有利于提高接头的强度。由于焊态下焊缝金属处于欠时效状态,焊缝中T1相析出的数量较少。激光焊接头的显微组织与电子束焊接头的基本相同,但是激光焊缝上部不存在电子束焊接时由于后续修饰焊而引起的局部晶粒粗化。确定试验条件下的最佳工艺参数如下,电子束焊:电子束流13mA,焊接速度600mm/min,圆形电子束扫描(500Hz,2%);激光焊:激光功率4600W、焊接速度5000mm/min、离焦量0mm。(2)对比分析焊态下电子束焊及激光焊接头的力学性能及拉伸断裂行为。结果表明,两种接头在焊态下均存在较为明显的软化现象。其中,电子束焊接头的最大抗拉强度为368.4MPa,为母材强度的68%;激光焊接头的力学性能略低于电子束焊接头,其最大抗拉强度为352MPa,为母材强度的64.6%;接头的断后伸长率两者大体相当,与母材的相比均有所下降。两种焊接接头的拉伸断口均呈韧-脆混合断裂特征,即微孔聚集型断裂与准解理断裂的混合断裂模式。(3)对两种焊接方法所得的最佳接头进行固溶+单级和双级时效热处理。微观分析显示,两种接头焊缝中的强化相基本相同。焊态下主要为θ和δ′相,经过单级时效处理(HT1、HT2)后,接头焊缝中析出β’、T1等强化相,且强化相的尺寸和数量随着时效温度的升高而增加;与单级时效处理(HT1、HT2)相比,双级时效处理(HT3)的析出强化效果更为显著。由于双级时效使焊缝金属发生了再结晶,接头焊缝区晶粒相对于单级时效有一定程度的细化。对比焊态及三种热处理态的接头力学性能发现,经双级时效处理(HT3)后电子束焊接头的抗拉强度提高到492.5MPa,达到母材强度的90.4%;与电子束焊接头相比,激光焊接头的强度略低,双级时效后(HT3)接头的抗拉强度为485.2MPa,接头的强度系数为89.03%。此外,焊后热处理对接头区域的显微硬度分布也具有较大影响,热处理后接头熔合区的硬度明显升高,母材区的硬度有所下降,曲线形状则由焊态的“V”形变为热处理后的“草帽”形。不同热处理态的接头拉伸断口扫描观察显示,单级时效处理HT1态的接头呈明显的韧窝断裂特征,其他两种热处理态下的接头(HT2、HT3)均为韧-脆混合型断裂模式,在拉伸断口表面同时存在韧窝和小的解理面。
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