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针对航空领域广泛应用的碳纤维增强热塑性复合材料(CFRP)和Ti-6Al-4V钛合金(TC4),采用激光实现两者高强度连接具有重要意义。本文研究发现传统CFRP/TC4激光连接技术是依靠树脂二次重熔形成粘接,其接头界面连接性能较差,限制了进一步工业化应用。为此,本文提出采用激光熔覆技术在CFRP表面制备TC4过渡层的方法,实现CFRP中的碳纤维与TC4过渡层的冶金结合,提高界面连接性能。本文围绕CFRP表面TC4过渡层制备问题,开展了CFRP表面激光熔覆TC4过渡层组织与性能研究,建立了激光工艺参数-界面形貌-力学性能的相互对应关系。揭示了CFRP板材与TC4过渡层之间界面的结合机理,并通过TC4过渡层合金元素调控提高了界面结合强度。首先开展了CFRP/TC4板材激光连接的基础研究,分析热输入对接头形貌及剪切性能的影响规律,发现随着热输入的增加,树脂熔化区宽度明显变大,界面处气孔尺寸变大,CFRP基体原有结构被破坏,剪切强度逐渐降低,最大强度仅为8.15MPa。证实通过激光加热TC4板材,导致CFRP/TC4界面处树脂熔化分解,最后两者通过物理吸附机制实现胶接。为了提高CFRP/TC4金属连接的结合强度,通过激光熔覆技术将TC4粉末涂覆在CFRP材料表面,形成一层金属过渡层。对工艺参数对熔覆质量的影响进行了研究。基于STA-MS分析CFRP热分解产物。采用扫描SEM/TEM对CFRP与TC4过渡层界面形貌、组织进行观察。研究结果发现:CFRP表面激光熔覆制备TC4过渡层采用的工艺参数如下:预置过渡层厚度h、光斑尺寸R、激光离焦量z、激光功率P、扫描速度v分别为0.7mm、3.7mm、60mm、250W和1.2m/min。CFRP热分解主要产物为硫化氢、硫化碳、苯、和苯硫醇。过渡层主要组织为α′马氏体,Ti C和少量Ti S2,碳纤维-树脂-过渡层之间过渡连续,TC4粉末与基材的树脂和碳纤维发生充分的化学冶金反应实现结合。CFRP/TC4过渡层界面的最高剪切强度为18.5MPa。从热力学角度阐述了CFRP/TC4过渡层界面反应机理,分析了界面反应以及金属间化合物形成长大过程。在激光能量和反应热的共同作用下,预置在CFRP材料表面的TC4粉末熔化,并与CFRP内部的碳纤维及树脂分解后的残余碳发生化学反应生成Ti C。界面处Ti C形成过程分为两种方式,一种是沿碳纤维生长:Ti C会优先在碳纤维表面形核,沿着碳纤维周围逐渐长大,直至遇到相邻的晶界形成完整的层状结构;另一种是在TC4液相内部生长:以树脂高温分解生成的碳化物为核心初晶Ti C形成长大为枝晶,共晶Ti C以近等轴状颗粒生长。CFRP/TC4过渡层界面处Ti C生长最终形态以层状,枝晶状和颗粒状为主。在TC4粉末中加入了一定含量的Al Si10Mg粉末,通过合金元素调控CFRP/TC4过渡层界面组织和应力状态,提高界面结合强度。研究结果发现:随着Al Si10Mg的加入,界面处CFRP分解量增大,过渡层向CFRP材料侧渗透的距离增加。加入10wt.%Al Si10Mg的TC4过渡层组织性能最优,主要组织为α′马氏体,Ti C,Ti3Al和Ti3Al C。Al Si10Mg的加入后对TC4过渡层凝固过程产生影响,Ti3Al C会在Ti C的表面形核,形成包覆层,阻碍初晶Ti C生长,抑制枝晶状Ti C的生成,使界面处Ti C晶粒更小,界面处Ti C生长最终形态以层状和颗粒状为主。通过CFRP/TC4过渡层界面的残余应力计算和几何相位分析技术,分析界面应力应变场,研究Al Si10Mg的加入对界面处内应力-应变的影响规律,建立应力与界面性能的对应关系。研究结果发现:加入10wt.%Al Si10Mg粉末后,界面应力由739.69MPa下降到428.22MPa,Ti C晶内xx由856.4MPa减小到310.4MPa。Al元素的加入有效的缓解了界面残余应力,减少晶内应力集中,促使CFRP/TC4过渡层界面剪切强度由18.5MPa增大到26.8MPa。