微叠层复合材料激光-GMAW复合焊组织结构与性能的相关性

针对有应用前景的一种新型轻质微叠层复合材料焊接性的关键科学问题进行研究。采用激光-GMAW复合热源和扩散连接，研究焊接工艺、填充合金和参数等对微叠层复合材料焊接区组织、相结构和力学性能等的影响；结合声像显微图像分析，研究微叠层复合材料热影响区"阶梯状"微裂纹起源、扩展及断裂机制，从理论上阐明微叠层复合材料激光-GMAW焊接区微观组织结构与宏观性能之间内在联系的规律性。解决焊接热-应力-组织性能模拟的参数拟合问题，提出保证微叠层复合材料焊接稳定性和接头区性能的理论基础，为解决这种韧-脆交替、按亚微米尺寸的层间距及层厚比交互重叠制成的微叠层复合材料焊接的关键技术提供基础理论支持。本项目研究具有自主创新和独特的技术优势，有助于为这种轻质微叠层复合材料在航空航天、舰船、高速列车制造中的应用提供理论和试验依据。

本项研究主要是对微叠层复合材料焊接区Ti/Al界面附近的显微组织、相结构与组织性能的相关性进行研究。钛与铝热物理性能相差大，采用传统熔焊方法进行连接时在Ti/Al界面易生成Ti-Al金属间化合物，Ti/Al叠层复合材料被认为难以实现熔焊连接。本课题采用铝基焊丝针对TA15/2024Al叠层材料进行填丝PC-GMAW连接，研究填充金属合金成分对钛与铝接头组织和性能的影响。研究结果表明，采用Al-Si系填充金属（如SAl4047焊丝）获得的Ti/Al焊接界面附近的脆性析出相数量少，Ti/Al过渡区组织差异较小且脆性化合物层厚度较小，组织性能较好。采用Al-Mg焊丝或其它焊丝时Ti/Al过渡区脆性化合物层厚度大，已引发微裂纹，过渡区显微组织差异大。焊接热输入对Ti/Al叠层材料PC-GMAW焊缝及Ti/Al过渡区显微组织有较大的影响。焊接热输入较低时，焊缝中形成了尺寸较小的颗粒状或短棒状析出相；焊接热输入较大时，焊缝中出现了粗大的条状、骨骼状析出相，Ti/Al界面附近形成了多层状结构的过渡区。. 采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）以及能谱仪（EDS）、电子探针（EPMA）等测试手段对Ti/Al叠层材料焊接接头区域显微组织、过渡区相结构和Ti/Al界面附近元素分布等进行分析表明，Ti/Al界面附近由钛侧至焊缝侧依次形成Ti3Al、TiAl+Ti5Si3、Ti9Al23+Ti5Si3及TiAl3化合物层，控制焊接热输入可控制化合物的形态和分布。采用微机控制电子万能试验机对PC-GMAW工艺形成的Ti/Al叠层材料焊接接头的Ti/Al界面进行拉伸试验，以评价Ti/Al界面的力学性能，结合系列电镜试验和测试结果进行综合分析。采用SEM、EDS对接头的断口形貌进行分析，研究接头的断裂行为。采用铝基填充金属的Ti/Al接头抗拉强度可达216MPa，断裂主要发生在钛合金与Ti/Al过渡区的界面处。国内对微叠层复合材料的研究起步比较晚，制备工艺和性能方面的研究还不够稳定，仍需要研究者对这种微叠层复合材料的制备工艺和结合理论等进行系统和深入的研究，以推进其在航空航天领域中的应用。