【摘 要】
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在航空航天产业迅速发展的新世纪,镁/钛异种材料的连接对实现航空航天结构件的轻量化具有较高的应用价值;但镁合金和钛合金之间热物理性能和化学冶金特性的差异较大,使得镁/钛异种材料之间难以实现冶金连接。本文针对AZ31B镁合金和TC4钛合金进行电阻点焊研究,通过合金元素调控镁/钛界面反应,优化电极端面结构,改善接头界面温度分布,实现对界面化合物层的生长调控,进而获得性能优异的镁/钛异种材料点焊接头。当I
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在航空航天产业迅速发展的新世纪,镁/钛异种材料的连接对实现航空航天结构件的轻量化具有较高的应用价值;但镁合金和钛合金之间热物理性能和化学冶金特性的差异较大,使得镁/钛异种材料之间难以实现冶金连接。本文针对AZ31B镁合金和TC4钛合金进行电阻点焊研究,通过合金元素调控镁/钛界面反应,优化电极端面结构,改善接头界面温度分布,实现对界面化合物层的生长调控,进而获得性能优异的镁/钛异种材料点焊接头。当I=20.7 k A、T=20 cyc、P=7.1 k N,添加20μm Ni中间层时接头拉剪载荷最高为5.3 k N,较相同工艺下添加Al、Cu中间层时,分别提升了约20.7%、39.5%。添加20μm Ni中间层时,镁侧熔核显微硬度最高值为84 HV,较母材硬度提高了约38%,点焊过程中Ni元素通过与Mg、Ti之间的冶金反应形成熔钎焊接头。镁/钛点焊接头界面区域显微组织由镁侧熔核至钛侧依次为α-Mg、α-Mg+Mg2Ni共晶组织、Ti2Ni界面化合物、Ti,熔核内部分布着Al Ni析出相;接头断裂位置位于界面且断口韧窝较深,呈现韧性断裂特征。通过系统研究焊接工艺参数对镁/钛点焊接头拉剪载荷及界面显微组织的影响规律。随焊接电流I、焊接时间T、焊接压力P的逐渐增大,点焊接头的拉剪载荷均呈现先增大后减小的趋势,且焊接压力对接头拉剪载荷的影响较前两者的影响弱;熔核直径与焊接电流、焊接时间变化趋势相同,与焊接压力变化趋势相反。当I=20.7 k A、T=20 cyc、P=7.1 k N时,接头最大拉剪载荷F=5.3 k N,熔核直径D=9.4 mm。接头界面中心区域和边缘区域Ti2Ni界面化合物层厚度分别为0.76μm、0.34μm,呈现中间厚两边薄的“山峰型”分布特点。采用H1型多环形球面电极时,在优化的焊接工艺参数下(I=21.5 k A、T=22cyc、P=7.1 k N),接头最大拉剪载荷F=6.8 k N,熔核直径D=11.7 mm,较采用球面电极时分别提升了28.3%、24.5%。多环形球面电极能够有效调控接头界面温度分布,进而调控Ti2Ni界面化合物层生长,界面中心区域和边缘区域Ti2Ni界面层厚度分别为0.82μm、0.47μm,且界面层生长连续、厚度均匀。通过Ti-Ni系化合物的热力学分析及Ti-Ni扩散偶的扩散动力学分析可知,点焊过程中,溶解完全的Ni与钛合金析出的Ti在扩散驱动力作用下在界面处形成钛镍固溶体;随着界面温度下降,界面前沿处于过饱和固溶状态,Ti2Ni界面化合物以钛合金为基体形核生长。镁/钛电阻点焊接头的形成可以分为四个阶段:镁合金母材的熔化及润湿铺展→钛合金及Ni中间层的溶解和互扩散→Ti2Ni界面化合物层的生长→液相冷却形成熔核。
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