基于合金元素调控的镁/钛激光熔钎焊界面反应行为与连接机理研究

This project proposes laser welding-brazing method with the regulation of alloying elements, aiming at solving the problem of non-reaction and immiscibility between Mg and Ti. Metallurgical bonding of Mg and Ti will be realized since interfacial reaction behavior is regulated by alloying elements. Interfacial reaction occurs to solid/liquid interface, while the reaction product is effectively controlled, owing to the fast heating/cooling, high peak temperature and short reaction time characteristics of laser welding-brazing. The project will study the laser welding-brazing characteristics of Mg/Ti without the regulation of alloying elements, laying the foundation for the regulation of alloying elements. The regulation principles are then established based on the thermodynamic and kinetic calculation. The addition of alloying elements including element types and contents and adding ways will be optimized. The experiment on Mg/Ti interfacial reaction regulated by alloying elements is then performed. Evolution mechanism of Mg/Ti reaction product is clarified. The mechanism of metallurgical bonding between Mg and Ti will be revealed afterwards. The mechanical properties of Mg/Ti joints regulated by alloying elements are investigated. The failure mechanism of joint is elucidated. Basic theory and data will be achieved by these systematic researches. The results of the project will not only lay the theoretical and technical basis for non-reaction and immiscibility system, but also has some reference and guidance on other dissimilar metal joining, which has important scientific significance and application prospects.

针对镁/钛异种金属既不反应亦不互溶的问题，本项目提出采用合金调控下的激光熔钎焊方法，利用合金元素来调控镁/钛界面反应行为，实现两者的冶金结合。利用激光熔钎焊热循环快速、高温、作用时间短等特点，来保证固/液界面实现界面反应，同时又能使界面反应产物得到有效控制。本项目将首先研究未调控时镁/钛激光熔钎焊接特性，为合金元素调控奠定基础；以热动力学计算为先导，确立镁/钛界面反应的合金元素调控原则，优化添加合金元素的种类、方式和含量；开展合金元素调控镁/钛界面反应的试验研究，阐述调控下的镁/钛界面反应产物的演变机制，揭示界面冶金连接机理；并研究调控后镁/钛接头力学性能，开展接头断裂失效机制研究，获得合金元素调控镁/钛界面的基础理论与数据。本项目的研究成果不仅为非互溶性异质金属连接奠定理论和技术基础，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。

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。针对镁/钛异种金属既不反应亦不互溶的问题，本项目提出采用合金调控下的激光熔钎焊方法，利用合金元素来调控镁/钛界面反应行为，实现两者的冶金结合。利用激光熔钎焊热循环快速、高温、作用时间短等特点，来保证固/液界面实现界面反应，同时又能使界面反应产物得到有效控制。本项目主要研究以下内容：1)未调控时镁/钛焊接特性，获取了钎料润湿铺展性等基础信息；2) 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，提出了适合镁/钛异种金属激光熔钎焊连接的合金元素调控原则；3) 研究了焊接工艺参数（激光功率、焊接速度、离焦量等）对调控过程的影响规律，获得优化的焊接工艺；获取了调控后的界面组织特征，揭示了合金元素对界面金属间化合物特征的影响规律，阐明了合金元素调控下镁/钛界面反应产物的演变机制；4) 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，验证了合金元素调控效果。结果表明：合金元素Al、Ni、Cu等可以改善镁/钛界面结合方式，实现界面的冶金结合。采用Al元素调控时，其能够在激光快速加热冷却过程中偏聚到界面，并与钛侧发生冶金反应生成Al-Ti化合物，界面由较薄的反应层（2μm以下）组成。采用Ni、Cu元素调控时，镀层Ni、Cu可以显著提高镁合金在钛板上的润湿铺展能力。界面化合物主要有Ti3Al化合物、Ti-Ni、Ti-Cu、以及Mg-Al-Ni、Mg-Al-Cu三元化合物。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为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。