镁合金纳米颗粒增强活性钨极氩弧焊接性能强化机理及控制规律研究

Facing the chanllege that the activating flux tungsten inert gas welding increases the depth/width ratio of the welded seam but also weakens the properties of the magnisum alloy joints due to the coarsening of the grains, a new methord named nano-particles strengthening activating flux tungsten inert gas welding is proposed in the project and the science problems including craft, forming,microstructure and properties will be studied. Microstructural charactration will be adopted to achieve the microstructure and distribution of the nano-particles of nano-particles strengthened composite magnisium alloy welded joints. Numerical simulation and theoretical analysis will be used to reveal the movement and phase transformation of the complex fluids of welding pool and the formation of the welded seams.Mechanical properties tests and theoretical analysis will be used to establish a intensity model of nano-particles strengthened composite magnisium alloy welded joints, in according with mechanical properties and reliablity test results, revealing the strengthening and control mechanisum of nano-particles strengthened composite magnisium alloy welded joints.This reaseach will solve the science problems of nano-particles strengthening activating flux tungsten inert gas welding of magnisium alloys and establish a scientific foundation for the application of this novel welding technology in magnesium alloys.

针对镁合金活性钨极氩弧焊接增加焊缝深宽比同时由于焊接接头焊缝晶粒组织粗化导致其力学性能弱化的瓶颈问题，提出了镁合金纳米颗粒增强活性钨极氩弧焊接新方法，并对其工艺、成型、组织及性能之间内在联系的主要科学问题进行研究。采用微观组织精细表征方法获得镁合金纳米复合焊接接头组织结构特征及增强相分布规律；采用流体力学数值模拟和相变理论分析方法揭示镁合金纳米颗粒增强钨极氩弧焊接熔池复合流体运动和相变行为及焊缝成型规律；采用力学性能测试与强度理论分析方法建立镁合金纳米复合焊接接头微区强度模型，结合焊接接头综合力学性能与服役可靠性规律，探明镁合金纳米复合焊接接头强化机理及控制规律。研究成果对解决镁合金纳米颗粒增强活性钨极氩弧焊接新方法中关键科学问题具有重要意义，并为该方法在镁合金熔焊工艺中的应用奠定坚实科学基础。

本项目研究中，针对传统镁合金活性焊接（A-TIG）中活性剂覆盖熔池使其冷却速率显著降低并导致焊缝组织晶粒粗化和接头力学性能弱化的问题，提出采用纳米增强活性剂（TiO2粉末 + SiC/TiC纳米颗粒）进行镁合金TIG焊接，即纳米增强活性焊（NSA-TIG）的新方法并展开系统研究。以AZ系镁合金板材为研究对象，以SiC纳米颗粒和TiC纳米颗粒为增强颗粒，通过焊接工艺参数和纳米增强活性剂表面涂覆密度的变化，结合数值模拟，系统研究并掌握了AZ31镁合金NSA-TIG焊缝形貌、熔池特征规律，熔池复合流体运动及纳米增强相运动和分布规律，接头微观组织特征规律，接头性能特征规律，接头性能强化机理与控制规律以及接头腐蚀机制。.研究结果表明：镁合金NSA-TIG焊缝深宽比大，表面成型美观，组织均匀细致，接头力学性能和服役可靠性优良。接头中纳米增强颗粒主要被Marangoni逆流“运输”到焊缝中央及底部。通过焊接参数优化，逐渐演变为熔池内均匀弥散分布。.SiC颗粒溶入熔池后，部分与基体中的Al反应，生成了Al4C3和单质Si，单质Si进一步与Mg反应生成了Mg2Si相，其中Al4C3相是基体相α-Mg的形核剂，Mg2Si颗粒则作为弥散相起到了增强NSA-TIG焊接接头的力学性能的作用。TiC虽不与镁合金基体反应，但其作为形核剂和弥散相，发挥了晶粒细化和弥散强化作用，形成性能优异的复合焊接接头。焊接接头中第二相与纳米颗粒的强化机理包括奥罗万强化、载荷转移强化、热失配强化以及位错强化等。.此外，AZ系镁合金NSA-TIG焊接接头耐腐蚀性能研究表明，当NSA-TIG焊接接头焊缝表面形貌较差及焊接缺陷较多时，腐蚀容易在缺陷处快速形成。其中，AZ31镁合金的晶粒细化有利于接头耐蚀性提升；而AZ91镁合金中连续分布的第二相阻碍了缺陷处腐蚀向内部发展，提升了熔合区的耐腐蚀性。.以上研究成果表明NSA-TIG焊既保持了传统A-TIG焊接方法在镁合金焊接中的优点，同时又解决了其面临的瓶颈问题——焊缝组织晶粒粗化和接头力学性能弱化。同时以上研究结果为镁合金高性能NSA-TIG焊接新方法的应用奠定了坚实科学基础，具有十分重要的科学意义和应用价值。