铝/钛异种合金搅拌摩擦焊接头中脆性相的调控及其与性能的相关性

Ti/Al disimilar alloys which have poor weldability and extensive applied foreground will be joined by friction stir welding in this project. The microstructure, properties, phase, elements distribution and flowing of plastic metals will be reseached and the influencing factor and regularity of distribution of the brittle phase will be revealed. The correspondence between welding parameters, flowing behavior of plastic metals, microstructure and properties of the welded joint will be established and internal relations between microstructure and macroscopic properties of the welded joint can be obtained. These works can establish theory base of process optimazation and get fine welded joint. The theory of interfacial layer diffusion dissolved will be used to reveale the formation mechanism of brittle phase from electron level. The produce, growing up and evolution model of the brittle phase will also be estabilished. Trace elements will be added between Ti/Al to separate and disturb the formation of brittle phase and the amount, size and distrbution regularity will be controlled, and the strengh and quality stability of the welded joint will be improved. The favorably implements of this project on one side will reveal the intrinsic nature and regularity of the brittle phase in the friction stir welded joint, on the other side can realized the fine joining of Ti/Al disimilar metals and establish the base of industrial applications such as aviation, aerospace and rapid transit railway.

采用搅拌摩擦焊对焊接性差、但应用前景广泛的铝/钛异种合金进行连接，通过研究接头的组织、性能、相结构、元素扩散和塑性金属流动行为，揭示接头中脆性相的影响因素、分布规律，建立焊接工艺条件―塑性金属流动行为―微观组织结构－接头性能四者的对应关系，获得接头微观结构与宏观性能之间的内在联系，为优化工艺、获得优良接头奠定理论基础；在此基础上采用相界扩散溶解层理论和TFDC理论从电子层面上阐明接头中脆性相的形成机理，建立脆性相生成、长大和演变过程模型，通过添加微量元素等措施对脆性相的形成进行阻隔和干扰，控制脆性相的数量、大小和分布规律，提高接头的强度和质量稳定性。项目的顺利实施一方面可揭示异种金属搅拌摩擦接头中脆性相形成的内在本质和规律，在发展搅拌摩擦焊焊缝成形理论方面具有一定的学术价值；另一方面可实现铝/钛异种金属的优质连接，为其在航空、航天、高速铁路等行业的应用奠定基础。

铝/钛异种金属结构在航空航天、高铁领域有广阔应用前景，但焊接性差、焊接难度大。项目采用搅拌摩擦焊对其进行连接，通过研究焊接接头的组织、性能、相结构、元素扩散，揭示了接头中脆性相的影响因素、分布规律，建立了工艺条件―微观组织结构－接头性能的对应关系，在此基础上采用TFDC理论阐明了接头中脆性相的形成机理，通过添加微量元素等措施对脆性相的形成进行了阻隔和干扰。通过项目的研究，得到如下主要结论：. 对于铝/钛搅拌摩擦焊，偏移量对焊缝成形和接头抗拉强度有显著影响，适当增加偏移量有利于获得性能较好的接头。焊接接头中，焊核区组织有分层现象：上部为条状细晶区、中部为铝合金动态再结晶区、下部为钛颗粒塑化区。前进边分布尺寸小的“流线型”钛颗粒；返回边分布尺寸大的“板条状”钛颗粒，沿板厚方向定向分布，易形成孔洞缺陷。增加偏移量，接合面组织由再结晶铝合金变为Ti/Al相间分布，焊核中孔洞数量减少；增大旋转速度、焊接速度，铝合金再结晶区缩小，焊核中钛颗粒分布均匀，接头力学性能优异；进一步增大旋转速度、焊接速度，塑化钛合金流动面积减小，接头力学性能变差。. 铝/钛接头中主要有TiAl3和TiAl两种脆性相，在塑化钛合金流经区生成。TiAl相存在于焊核中，是Ti、Al原子通过扩散反应形成的。随偏移量增加，接头中脆性相数量减少；增大旋转速度、焊接速度，脆性相种类由单一的TiAl3变为TiAl3、TiAl相，TiAl相数量先增加后减少。. 加入中间层Zn在一定程度上能减少Ti-Al金属间化合物的生成，促使接头由脆性断裂向韧性+脆性混合断裂的方式转变。加入中间层Ni可减少脆性相，且部分Ti-Al金属间化合物由脆性较大的Ti3Al相转变为具有一定韧性的TiAl相，使接头强度得到提升。. 项目研究结果可为优化铝/钛异种金属搅拌摩擦焊工艺、获得优良接头提供理论依据，并为实现铝/钛异种金属结构在航空航天、高铁等行业的应用奠定基础。