复合孕育剂Ti、Zr细化铝铜合金焊缝组织机理研究

国内外研究表明铝合金中孕育剂Ti和Zr的细化作用不相容，两者同时添加会降低铝合金晶粒细化效果,而申请者通过实验证实孕育剂Ti和Zr复合作用更有利于细化铝铜合金焊缝组织、提高接头性能，但其细化机理尚不清楚。因此本项目针对铝合金中复合孕育剂Ti和Zr细化作用相容性问题展开研究，通过向焊丝中同时加入不同含量的Ti和Zr，研究复合孕育剂对非铝铜系铝合金焊缝组织和性能的影响规律；系统分析其对铝铜合金接头裂纹敏感性、微观组织、元素分布、力学性能的影响规律，深入研究Ti和Zr含量不同时非均质形核核心的形貌、大小、分布以及其晶体结构和晶格常数，结合Cu元素对Ti和Zr细化过程的影响规律，揭示铝铜合金中Ti和Zr复合作用细化焊缝组织的机理，丰富和发展铝合金细化理论。项目的研究不仅为低成本、高强度铝铜合金焊接材料的设计提供理论指导，扩大铝铜合金焊接结构件的应用范围，同时也为铝铜合金组织细化提供一条新途径。

高强铝铜合金熔焊时接头强度系数低，焊缝易出现结晶裂纹，严重影响了高强铝铜合金焊接结构件的使用性能。本文深入研究高强铝铜合金焊接接头的组织与性能，分析了复合孕育剂Ti和Zr细化铝铜合金焊缝组织机理。.首先在ER2319焊丝基础上，通过复合添加孕育剂Ti、Zr，设计了E1、E2、E3、E4、E5五种铝铜合金焊丝，采用五种焊丝对铝铜合金进行MIG焊，试验结果表明Ti和Zr的细化作用是相容的，当焊丝中单独添加孕育剂Ti或Zr时，焊缝几乎由粗大的柱状晶组成。焊丝中复合添加少量的孕育剂Ti和Zr，Ti和Zr在熔池中分别形成Al3Ti和Al3Zr，促进了α(Al)非均质形核。随着焊丝中Ti和Zr含量的增加，焊缝组织逐步细化。当焊丝中Ti和Zr含量较高时，焊缝组织由细小均匀的等轴晶组成，显著提高了接头强度和塑性。.当复合孕育剂Ti和Zr含量相当时，铝铜合金焊缝晶粒尺寸远远小于铸锭晶粒尺寸，这是因为焊缝冷却速度极快，约为铸造时的100倍，从而增加了液态金属凝固结晶时的过冷度，增大了α(Al)非均质形核的驱动力，促使α(Al)更易在形核质点上形核，增加了晶粒形核率，同时缩短了晶粒长大时间，细化了晶粒尺寸。.焊丝中添加大量的合金元素Ti和Zr时，在焊缝中出现了两种Al3(Ti, Zr)复合物，一种是Al3Ti相依附于Al3Zr相外形成的双重粒子；另一种为Al、Ti、Zr三种元素组成的复杂化合物Al3(Ti, Zr)相。复杂化合物Al3(Ti, Zr)相可以作为非均质形核核心。合金熔体中Al3(Ti, Zr)相通过包晶反应：L+Al3(Ti, Zr)→α-Al促进α-Al非均质形核，包晶反应温度为685.7℃；同时，随着熔体温度的逐渐下降，双重粒子外层的Al3Ti层与铝液发生包晶反应：L+Al3Ti→α-Al，促进α-Al非均质形核。.铝铜合金中孕育剂Ti、Zr含量较少时，熔池凝固时主要以细小的Al3Ti相和Al3Zr相作为非均质形核核心促进α-Al形核；当孕育剂Ti、Zr的含量较高时，除了以细小的Al3Ti相和Al3Zr相作为非均质形核核心，还在合金熔体中出现了复杂化合物Al3(Ti, Zr)相和双重粒子作为形核核心促进α-Al形核。