Ti/Al异种合金TIG电弧熔钎焊工艺及界面特征研究

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钛和铝在冶金学上不相容,容易反应生成脆性的金属间化合物,使得Ti/Al复合构件的连接一直是焊接工作者的研究热点。电弧熔钎焊具有设备成本低、应用范围广等优势,逐渐引起了学者的广泛关注。然而,焊丝在电弧加热的钛表面铺展困难,容易生成大量金属间化合物,限制了该项技术在Ti/Al复合构件连接方面的研究与应用。因此,明确电弧条件下钛表面焊丝铺展特性和界面反应层的生长规律是获得高强度Ti/Al熔钎焊接头的关键。本文开展了Ti/Al对接接头电弧熔钎焊技术的系统研究。首先,基于有限元温度场分析与润湿铺展试验研究,明确了Ti/Al接头的温度分布特征和液态焊丝的铺展规律,在此基础上开发了匙孔型电弧熔钎焊技术。通过调控焊接热输入、加热位置、焊丝类型获得了良好的熔钎焊接头焊缝成形。然后,观察了熔钎焊接头的微观组织,通过拉伸试验测试接头强度,结合微观组织与断裂特征分析,明确了接头的破坏机制和影响因素。最后,采用热力学、动力学与试验分析相结合的方式,重点研究Ti/Al电弧钎焊界面金属间化合物层的生长规律。研究表明:通过控制焊接速度和送丝方式,液态焊丝在接头坡口内部充分铺展,熔池可经历“椭球型→缺口型→匙孔型→椭球型”的动态循环过程。液态焊丝在接头反面、坡口内部和接头正面充分铺展,最终实现了对接接头的单面焊双面成形。纯铝接头界面反应层呈锯齿状分布,厚度为4-6μm。钎焊界面结构为Ti(Al)+Ti3Al+TiAl3,反应层在厚度方向均匀分布。Al-Cu-La焊丝填充时形成了Ti2Al20La新相,接头强度高达270MPa,达到LF6铝母材的85%以上。界面反应的热力学与动力学特征研究表明:TiAl3为优先生成相,加热阶段界面前沿的Ti浓度难以达到饱和,只有冷却阶段才结晶析出。界面反应层生长过程主要包括液态焊丝铺展吸附、元素不均匀扩散、固相转变生成Ti3Al相和TiAl3相形核长大四个阶段。随着焊接热输入增大,界面反应层的厚度与形貌变化显著。La、Zr和B元素均促进了TiAl3相的形核,从而形成了靠钛侧松散的TiAl3反应层。La元素使Ti2Al20La相依附于TiAl3界面形成。Zr可使TiAl3反应层前端转变为(Ti,Zr)Al3相,从而提高了反应层的抗裂性能。B元素形成的界面反应层内存在TiB2和AlB12异相质点,促进了界面反应层内TiAl3的非均匀形核。Si元素增加了反应层厚度,同时也改善了其物相结构,从而形成了较好的界面连接。
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