新型铝锂合金的电子束焊及其接头的组织与性能

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新型铝锂合金具有低密度、高比强度、抗疲劳性能优良以及加工成型性能良好等优点,是航空航天、人造卫星、核工业等高技术领域中应用前景广阔的候选材料。铝锂合金在工业生产中大多作为焊接结构使用,采用常规的熔化焊方法对其进行焊接,在焊接过程中易产生焊缝气孔、热裂纹和接头软化等问题,在很大程度上制约铝锂合金在工业生产中的应用。电子束焊方法具有能量密度集中、热输入小和热影响区小等特点,用于铝锂合金的焊接具有较大优势。本文采用电子束焊方法对新型铝锂合金进行焊接,通过分析工艺参数对接头组织与性能的影响,优化电子束焊接工艺;针对焊态下接头存在软化问题,对接头分别进行固溶+单级时效、双级时效、三级时效焊后热处理,以改善焊接接头的微观组织,从而提高接头的力学性能;同时分析研究了不同焊后热处理工艺对接头耐蚀性能的影响。  新型铝锂合金的电子束焊接工艺试验结果表明,如果焊接速度过快,熔池在高温下的停留时间较短,不利于合金元素的充分固溶,同时也不利于气体从熔池金属中逸出,容易在焊缝中残留气孔缺陷,导致接头的力学性能降低。金相组织观察显示,焊态下接头区域的组织从熔合线至焊缝中心依次为细晶层、粗晶区、等轴晶和树枝晶。热影响区的微观组织与母材区相似,都是长条状轧制晶粒。接头拉伸断裂发生在焊缝金属处,断口呈明显的韧性断裂特征。  对接头进行不同的焊后固溶+时效热处理,结果显示,焊后先高温后低温的双级时效接头可获得最优的力学性能,显著提高了接头的强度系数,接头强度达到母材强度的89.7%。接头微观组织观察表明,热处理后焊缝组织转变为等轴晶,其中经焊后单级时效接头熔合线附近的细小等轴晶区保留,而经焊后双级时效、三级时效后熔合线附近的细小等轴晶区消失。焊后双级时效热处理促进焊缝中强化效果较强的T1(Al2CuLi)相在晶界处大量形核、长大,晶内析出大量的弥散β′(Al3Zr)相颗粒;由于二级时效温度降低,使焊缝再结晶过程进行充分,从而细化焊缝组织晶粒,产生细晶强化作用;晶界数量增加的同时也提供了更多的 T1相形核位置,促进T1相在晶界处的二次析出,使得焊缝中T1相的体积分数增加,从而使接头的力学性能显著改善。  对热处理前后的接头分别进行晶间腐蚀、剥落腐蚀及电化学腐蚀实验,结果表明,焊接接头的不同区域对腐蚀的敏感性不同。热处理前后接头焊缝都具有较好的抗晶间腐蚀和抗剥蚀性能。焊后热处理会增大接头母材区与热影响区的晶间腐蚀敏感性,但焊后单级时效及三级时效可降低接头母材区与热影响区的剥蚀敏感性。经过焊后热处理,接头焊缝的自腐蚀电位有所降低,电化学腐蚀倾向略增大。
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