钛/钢电子束焊接非平衡冶金过程及束能量耦合控制机理研究

本项目针对钛合金与钢电子束焊接熔池非平衡冶金过程及束能量耦合控制机理进行研究。根据表面能与界面能的弥补转化原理推导出Ti-Fe反应接合界面的能量判据，计算熔池化学反应的热力学驱动力，解明主要合金元素在非平衡冶金过程中的反应、扩散、脆性相生成及对焊缝金属结晶的影响规律，设计出接合过渡区域焊接材料的成分范围和梯度分布。以传热学中串联热阻叠加为原则，揭示界面等效导热系数与熔合比的关系，控制热源对连接界面附近的热作用程度，采用Fourier变换和对时间的积分运算建立电子束焊接能量控制方程。研究焊缝热量输入、束斑点作用位置和热量累加方式对接头各梯度相的生成顺序和分布状态的作用机制。最终，将束能量控制耦合到非平衡冶金过程中，获得钛合金与钢异种材料的优质连接。本项目是异种材料连接领域中的一个新方向，不仅为钛合金与钢电子束焊接提供了新思路，也为其他种类的异种材料连接提供理论基础。

科技的发展对先进加工和制造技术在节能降耗方面提出了更高的要求。钛/钢的复合结构可以同时发挥两种金属在性能方面的优势，同时可以极大地减轻结构重量，获得优异的综合性能。本项目针对钛合金与钢电子束焊接熔池非平衡冶金过程及束能量耦合控制机理进行研究。. 钛/钢电子束焊接熔池非平衡冶金反应的试验研究和热力学分析表明，Ti-Fe金属间化合物的生成吉布斯自由能在熔点上达到300 kJ•mol-1以上，焊缝在快速冷却过程中凝固结晶形成TiFe及TiFe2金属间化合物。Ti-Fe金属间化合物硬度达到1000HV，接头脆性极大，焊后在热应力的作用下形成冷裂纹。. 采用Ni、Ag、V和Cu作为冶金调控元素均能实现钛/钢电子束焊接接头冶金过程的控制，合金元素的引入，改变了非平衡冶金反应的物理条件，形成Ti-Fe金属间化合物的冶金反应得到抑制，更多的固溶体组织在焊缝中凝固形成。其中Cu元素作为第三组元体现出了更优的焊接工艺性能和接头力学性能，接头峰值温度降低，残余应力减小。焊接速度和束流通过影响界面化合物层的厚度控制接头性能，接头最高强度可达310MPa。. 为进一步控制钛/钢电子束焊接过程中的冶金反应，抑制界面反应的进行，基于元素冶金相容性及串联热阻叠加原理进行了复合中间层的成分设计。基于温度场的计算，对热量在界面附近的分配进行优化控制，对焊缝热输入、束斑点作用位置及热作用模式对焊缝中组织梯度组成的影响进行了研究。在适当的焊接能量作用及中间层成分范围内，钛/钢电子束焊缝结晶产物实现了固溶体成分过渡特征。采用V/Cu2V复合中间层，并辅之以双道焊接工艺，接头组织结构为：TA15/Ti(s,s) +Cu(s,s)/V(s,s)+ Cu(s,s)/Fe(s,s) + Cu(s,s)/304 SS。抗拉强度为392MPa，达到不锈钢母材的75%。采用Cu9Cr/V复合中间层，并采用三道焊工艺时，接头平均抗拉强度可达459MPa，且接头具有良好的塑性。. 项目的研究，极大地完善了钛合金与钢电子束焊接冶金的基础理论，开发出了具有较好应用前景的钛/钢电子束焊接复合中间层及优化工艺。该成果的基础理论可解决其他难焊异种金属电子束焊接的共性问题，为异种金属电子束焊接提供了一种新方法。