【摘 要】
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2195铝锂合金凭借高比强度、高可焊性,已成为运载火箭结构材料的首要选择。搅拌摩擦焊可有效避免熔焊缺陷,提升接头力学性能,广泛应用于铝锂合金焊接。2195-T8铝合金属于析出强化铝合金,其搅拌摩擦焊接接头的硬度分布呈典型的“W”型,具有明显的硬度弱区,显著降低接头性能。为提升焊接接头的整体硬度,提高其拉伸性能,本文首先采用2195-T4铝锂合金为被焊材料进行搅拌摩擦焊接实验,研究焊后接头人工时效处
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2195铝锂合金凭借高比强度、高可焊性,已成为运载火箭结构材料的首要选择。搅拌摩擦焊可有效避免熔焊缺陷,提升接头力学性能,广泛应用于铝锂合金焊接。2195-T8铝合金属于析出强化铝合金,其搅拌摩擦焊接接头的硬度分布呈典型的“W”型,具有明显的硬度弱区,显著降低接头性能。为提升焊接接头的整体硬度,提高其拉伸性能,本文首先采用2195-T4铝锂合金为被焊材料进行搅拌摩擦焊接实验,研究焊后接头人工时效处理过程中的力学性能变化规律以及时效前后接头的微观组织分布。同时,本文通过对焊后接头进行轧制变形处理,探究由变形量引起的接头力学性能变化以及微观组织演变规律。在此基础上,采用预变形+人工时效工艺对焊后接头进行处理,实现接头显微硬度均匀分布,焊接系数显著提升,为实际生产工艺的制定提供理论依据与工艺参考。主要得到如下结论:使用2195-T4进行搅拌摩擦焊可以改善接头硬度分布情况,达到降低硬度在接头不同区域波动幅度的目的。此时接头抗拉强度及延伸率分别为440.2MPa和11.2%,焊接系数为91.8%。对2195-T4搅拌摩擦焊后接头人工时效处理可显著提升接头硬度,但时效过程中接头硬度仍表现为“W”型分布,存在明显硬度弱区。人工时效的最佳工艺为160℃人工时效64h,此时接头抗拉强度为489.5MPa,延伸率为4.5%。HAADF-STEM结果表明,T4态焊后接头除了靠近BM区的HAZ区中有极少量粗化的T1相析出,在BM、NZ以及TMAZ中仅有少量颗粒状δ’相析出。经过64h人工时效处理后发现,接头各区域出现明显的T1相析出,经统计发现,HAZ区中的T1相密度远低于其他区域。焊后时效工艺研究表明:时效处理可促进2195-T4搅拌摩擦焊后接头中T1相的析出,提升接头强度;但是接头不同特征区域对T1相的析出动力区别较大,HAZ区中的析出动力明显低于其他区域,因此HAZ区在峰时效后T1相数量远少于其他区域,强化效果不够明显,故接头硬度仍呈“W”型分布,室温拉伸时沿HAZ/TMAZ区交界处断裂。经轧制变形处理的2195-T4接头强度随着变形量提升而增加,延伸率变化规律与强度相反,在15%变形时接头抗拉强度最高,达到482.2MPa,延伸率为7.0%。微观组织表征结果发现,轧制变形可降低接头各区域晶粒尺寸,增加合金内部位错密度,进而提升接头强度。2195-T4接头在预变形后进行人工时效处理的最优工艺为15%预变形+64h人工时效,此时接头硬度分布比较均匀,硬度值在不同区域间差别较小,接头抗拉强度543.4MPa,其焊接系数可以达到91.1%,但是延伸率仅为3.3%。15%预变形+人工时效处理后的2195-T4接头焊核区HAADF-STEM明场表征结果表明,变形量的提升会显著增加合金内部的位错密度,可促使人工时效时T1相在位错处形核,从而提升T1相的析出效率。因此15%变形后人工时效32h的接头整体硬度都比较高,波动程度不大,抗拉强度显著提升。
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