镁/钛异种金属激光熔钎焊界面复合过渡层调控与反应机理

Ti-Al compound at the Ti side is the key to metallurgical bonding of Mg/Ti during regulation of alloying element on immiscible system Mg and Ti. However, the formation of this compound was restricted by the Al content and diffusion rate under the condition of fast thermal cycle, leading to the incomplete reaction and poor regulation result. This project proposes hybrid regulation method with “particle reinforced interface and continuous Ti-Al compound”. The Ti substrate is fabricated with in-situ Ti-Al layer and then electroplated with thin layer of Cu or Ni. The method could not only solve the problem of incomplete reaction between Ti and Al, also achieve the composite-like structure by mutual reaction between electroplated layer and molten Mg pool. Thus, the cooperative reinforcement effect is obtained. The project will first prepare the stable and even hybrid transition layer of “electroplated layer+in situ Ti-Al compound”. The wetting and spreading of molten Mg on hybrid transition layer is then studied. The thermodynamics and kinetics of multi-component at the interface will be clarified. After that, interfacial reaction of Mg/Ti and bonding mechanism with the assistance of hybrid regulation is investigated. Based on these, mechanical properties of Mg/Ti joint after hybrid regulation is studied to reveal the joint strengthening mechanism. The results of the project will not only solve the problem of Mg/Ti metallurgical bonding, but also provide a new way for hybrid regulation during other dissimilar materials joining.

合金元素调控不反应非互溶镁/钛界面时，界面钛侧Ti-Al化合物是界面冶金结合的关键，快速热循环条件下其形成受制于Al元素的含量和扩散速率，界面Ti-Al反应不充分导致调控效果不佳。本项目提出“颗粒增强界面+连续Ti-Al化合物”复合调控的思路，即在钛表面预先原位自生Ti-Al层，然后再电镀Cu、Ni薄层。该方法既能解决界面Ti-Al反应不足难题，又能获得电镀层与镁合金反应形成的类复合材料结构，实现界面协同增强效应。项目首先制备稳定、均一的“镀层+原位自生Ti-Al化合物”复合过渡层；研究镁焊丝熔滴在复合过渡层表面的润湿铺展情况，阐明多组元合金元素的界面热动力学行为；进一步，揭示复合过渡层调控镁/钛激光熔钎焊界面反应行为与连接机理；在此基础上，研究复合调控后接头力学行为并揭示接头强化机制。本项目研究成果不仅可以解决镁/钛界面冶金结合问题，同时也为其他异种材料焊接的复合调控提供一种新思路。

面对环境保护及提高能源利用率的要求，实现镁/钛之间可靠的冶金连接既能实现结构件减重、节能减排的目的，又能扩大两者的推广与应用。在先前的研究中，镁/钛激光熔钎焊存在润湿铺展机理不明确、界面元素调控单一的问题，本项目提出利用复合元素调控镁/钛焊接，利用Cu、Ni两种元素调控镁/钛界面反应，既在镁侧形成Al-Cu/Ni化合物又促进钎料在钛侧铺展润湿，实现镁/钛的冶金结合。本项目主要研究以下内容：1) 钛侧制备Cu、Ni单一及复合镀层，获取了不同厚度及元素配比的镀层；2) 搭建了激光辐照熔融钎料润湿动态行为采集系统，观察并采集了镁合金钎料在带有两种镀层的钛上的动态润湿铺展，获取了钎料润湿铺展性等信息；3) 建立了单一、多元合金元素调控界面反应的热动力学的数学模型，研究了添加合金元素后可能生成界面化合物的生长行为；4)研究了焊接工艺参数（激光功率、镀层厚度、镀层元素配比等）对调控过程的影响规律，获得优化的焊接工艺及镀层配比；获取了调控后的界面组织特征，揭示了复合元素对界面金属间化合物特征的影响规律，阐明了复合元素调控下镁/钛界面反应产物的演变机制；5)评价了优化后的熔钎焊接头力学性能，明晰了组织演变对接头性能的影响规律，验证了复合元素调控效果。结果表明：Ni、Cu镀层均使镁/钛润湿性改善，润湿过程更加平稳，随着元素含量增加，润湿角先减小后增大，铺展半径先增大后减小，润湿机理也发生变化。界面化合物主要有Ti3Al、Ti-Ni、Ti-Cu二元化合物、以及Mg-Al-Ni、Mg-Al-Cu三元化合物。另外，提高焊丝中Al元素含量，能促进钛侧生成Al-Ti化合物。使用Cu-Ni复合镀层时，随着铜元素比例的提高，接头性能先提高后下降，过量的Cu导致界面产生网状Mg-Cu共晶降低了接头性能。最后建立了Mg-Al-Ti-X（X：Cu或Ni）四元合金系化学势及吉布斯自由能的预测模型，结合实际界面附近的元素分布，阐明了合金元素在不同区域的扩散行为。本项目的研究成果不仅对镁/钛这类非互溶性异质金属连接奠定了理论和技术基础，对于其他异种金属的连接也具有一定的借鉴和指导意义，具有重要的科学意义和应用前景。