Ti/Al异种金属电弧熔钎焊金属间化合物生长及控制机理研究

Ti/Al异种金属在电弧熔钎焊过程中，铝合金表面的氧化层难以去除，同时Ti/Al金属间化合物连续分布于界面处，严重弱化了接头的强度、塑性以及冲击韧性。为解决上述问题，本项目提出采用超声冷体交流电弧熔钎焊方法对Ti/Al异种金属进行连接。研究电弧等离子体在弧焊过程中力学及电学行为，讨论电荷对合金表面氧化膜的破碎机制；采用热力学与动力学分析方法确定Ti/Al金属间化合物生长的驱动因素，论讨添加元素、超声振动空化和声流效应对界面金属间化合物形核、生长、形态及分布的影响和控制机理。通过本项目的研究，获得Ti/Al异种金属在超声冷体交流电弧熔钎焊过程中金属间化合物的生长规律及控制方法，得到综合性能优良的焊接接头，为铝合金与钛合金的冶金连接构件在航空、航天等方面的应用奠定必要的理论和试验基础。

本项目开展了Ti/Al对接接头电弧熔钎焊技术的系统研究。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。该技术的最大优势在于，利用氩弧焊这种简单经济的方法实现了Ti/Al异种合金的连接，利用匙孔型焊接技术解决了铝合金焊丝在钛板表面的润湿铺展难的问题。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。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。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。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。