论文部分内容阅读
非连续增强型钛基金属复合材料,尤其是原位自生TiB/Ti钛基复合材料具有高比强度、比刚度和良好抗高温、耐腐蚀性能等优点,日益得到广泛应用。但除价格高因素之外,其加工为结构件的能力,尤其是焊接工艺一直是阻碍该类材料发展的主因,也是该类材料工程应用上必须解决的关键问题之一。因此,研究和解决钛基复合材料焊接性问题对其工程应用与推广意义重大。从原位自生成钛基复合材料特点和实际应用的角度出发,本文以(TiB+La2O3)/Ti钛基复合材料为研究对象,采用钨极氩弧焊、脉冲钨极氩弧焊和激光焊三种熔化焊方法研究了钛基复合材料的焊接性。利用金相观察、X射线衍射、扫描和透射电镜分析、拉伸试验及硬度测试等方法,研究了焊接接头形成机制、增强体在焊缝中的存在形态与分布规律,并对焊接接头的组织和力学性能进行了分析。研究结果表明:在对(TiB+La2O3)/Ti钛基复合材料薄板进行熔化焊接时,焊接热输入量对焊缝成形质量有很大的影响。随焊接热输入增加,焊缝熔深、熔宽及背宽比均增加,在合理工艺参数下,接头具有较稳定的焊缝成形系数,焊缝成形均匀美观。但因为未使用焊丝对熔池进行熔融金属的补充,过多热输入则导致烧穿、表面凹陷等焊接缺陷的形成,而过小热输入则会产生未焊透、气孔等焊接缺陷。采用脉冲焊时,可以减少热输入,提高焊缝成形系数,同时选用合适脉冲频率,细化焊缝组织,增强对熔池搅拌作用,改善金属流动性,获得完美鱼鳞状焊缝。因为激光焊的热输入量最小,冷却速度极快,在合理的焊接工艺参数下获得光滑、均匀连续和狭窄的“X”形状焊缝,接头变形小。试验证明,在满足良好焊缝成形的基础上,钛基复合材料的焊接宜选取热输入量较小的焊接工艺参数。在焊接热循环作用下,钛基复合材料焊接接头分为焊缝区、热影响区和母材三个特征区。焊缝具有典型的交互结晶、外延择优生长的凝固特点,表现为柱状晶组织。热影响区在靠近熔合线的区域因基体处于过热状态而形成粗晶区,而远离熔合线的热影响区则几乎未有变化。进一步研究表明,钛基复合材料接头焊缝和靠近熔合线的热影响区组织完全由针状马氏体组成,而离熔合线较远的热影响区则形成马氏体和初始相的混合组织,在距母材近的热影响区则未发生任何相变。另外,随焊接热输入增加,针状马氏体组织的方向性变差,其分布也更加密集和散乱,这有利于接头的性能。研究还发现,焊接热输入对接头中增强体TiB的形成、尺寸及分布具有重要的影响。在焊缝熔化区和热影响区中的粗晶区区域,TiB显著得到细化,并重新分布在柱状晶晶界上形成独特的网状组织结构,这有利于接头室温和高温性能。在距熔合线较远的热影响区中的TiB受焊接热作用较小,只有少部分改变了尺寸与形状,分布均匀性有所增加,而在距母材区很近的热影响区TiB保留了与母材中类似的形貌特征。不同焊接方法所制备的钛基复合材料接头焊缝和热影响区硬度均高于母材的,并在焊缝区达到了峰值,而且硬度沿着从焊缝到母材方向呈阶梯式连续下降,这和焊缝组织的不均匀性有关。同时,钛基复合材料焊接接头具有优良的室温抗拉强度,不低于母材强度的85%,激光焊时几乎可以达到与母材等强匹配的强度,但塑性比较差。高温时,钛基复合材料接头达到与母材匹配强度,甚至于高于母材强度。激光焊接时,600℃高温强度可达823MPa,比母材强度(740MPa)提高了11%。而且,随温度增加,接头强度下降的趋势比母材缓慢,这对钛基复合材料在工程实际应用是比较有利的。