SiC_p/6061Al基复合材料等离子弧原位焊接工艺研究

论文摘要

随着科学技术的快速发展,铝基复合材料（Al MMCs）以其高的比强度、比刚度、比模量、优异的耐磨性能,良好的耐高温性能以及在性能和加工方面较强的可设计性等特点,在航天、航空、汽车工业、光学仪器和体育用品等领域得到一定的应用并取得了较大的经济效益,显示出良好的发展前景。但是,铝基复合材料（Al MMCs）的焊接性很差,阻碍了其在工业中的广泛应用,铝基复合材料的焊接技术是其走向工业化必须解决的问题。针对这个问题,国内外已经进行了广泛的、深入的研究,抑制脆生相Al4C3的生成是实现铝基复合材料成功焊接的关键所在;另外,要实现铝基复合材料焊接的实用化,还要解决造成接头强度不高的一系列问题,如气孔、微观裂纹、增强颗粒分布不均匀等。本文以SiCp/6061Al MMCs为研究对象,研究了合金填加材料及热处理对其等离子弧焊接（以Ar+N2为离子气、Ar为保护气）接头组织与性能的影响,并对焊接熔池合金化机理进行了系统的分析。借助于金相显微镜、扫描电镜及X射线衍射分析仪等微观分析手段研究了不同条件下铝基复合材料等离子弧焊接接头微观组织及成分的变化,并对焊接接头进行硬度和拉伸试验,探讨了影响等离子弧焊接接头力学性能的因素。研究表明,对SiCp/6061Al MMCs进行等离子弧直接熔化焊接时,焊缝中生成了大量脆性相Al4C3,并有较多气孔、裂纹等缺陷,从而降低了接头的强度和综合性能。填加0.8mm钛片时,有效抑制了脆性相Al4C3的形成,且在焊缝中形成了TiN、TiC等新的增强相,从而保证了焊接接头的性能。进行力学性能试验表明:填加0.8mm厚钛片进行等离子弧原位焊接时,焊接接头强度最大拉伸强度达到了203 MPa,比不加填充材料时提高了40%。填加Ti-Al、Ti-Al-Si、Al-Ti-Ni-Si合金对SiCp/Al基复合材料进行等离子弧原位焊接,填加材料中Ti含量为5%时,可以有效抑制有害相Al4C3的生成,得到的焊缝组织致密,没有气孔、微观裂纹等缺陷,接头强度较之不加填充材料时有较大提高,达到220MPa左右,有效提高了接头的力学性能。对SiCp/Al基复合材料等离子弧原位焊接接头进行热处理后发现,热处理的最佳工艺为T6固溶+时效。热处理后焊缝组织状况得到良好的改善,粗大的Al3Ti相变为短小棒状,消除了晶间偏析,组织更加均匀。热影响区组织中晶粒均得到比较明显的细化,比较接近母材晶粒的大小。焊接接头强度较未热处理时有了较大提高,达到245 Mpa,且接头热影响区硬度基本恢复到母材水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝基复合材料概述
• 1.3 铝基复合材料焊接研究现状
• 1.3.1 熔化焊
• 1.3.2 钎焊
• 1.3.3 摩擦焊
• 1.3.4 电阻焊
• 1.3.5 扩散焊
• 1.3.6 脉冲激光焊
• 1.4 铝基复合材料焊接研究展望
• 1.5 等离子弧焊概述
• 1.5.1 等离子弧焊的定义
• 1.5.2 等离子弧焊的工艺特点
• 1.5.3 等离子弧焊的工艺参数
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 实验研究过程
• 2.2 试验材料和设备
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验设备
• 2.3 试验方案
• 2.3.1 焊接试样
• 2.3.2 试验步骤
• 2.4 焊缝组织结构分析
• 2.4.1 金相显微观察
• 2.4.2 X射线衍射相分析
• 2.4.3 SEM组织观察
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 硬度分析
• 2.5.2 拉伸试验
• S工艺研究'>第三章 填加Ti片等离子弧原位焊接SiCp/AIMMC_S工艺研究
• 3.1 SiCp/6061Al基复合材料等离子弧直接熔化焊接焊缝显微组织
• 3.2 填加Ti片等离子弧"原位"合金化焊接SiCp/6061Al基复合材料
• 3.3 焊缝组织及冶金熔池反应分析
• 3.4 焊接接头性能分析
• 3.4.1 显微硬度
• 3.4.2 拉伸性能
• 3.5 本章小结
• S工艺研究'>第四章 填加合金等离子弧原位焊接SiCp/AIMMC_S工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 填加Ti-Al时等离子弧原位焊接工艺
• 4.2.1 焊缝组织观察与分析
• 4.2.2 Ti-Al对焊缝组织和成分的影响
• 4.2.3 接头强度分析
• 4.3 填加Ti-Al-Si合金时等离子弧原位焊接工艺
• 4.3.1 焊缝组织观察
• 4.3.2 Si对焊缝组织和成分的影响
• 4.3.3 接头强度分析
• 4.4 填加Al-Ti-Ni-Si合金时等离子弧原位焊接工艺
• 4.4.1 焊缝组织观察与分析
• 4.4.2 焊缝组织成分分析
• 4.4.3 Al-Ti-Ni-Si对焊缝组织的影响
• 4.4.4 接头强度分析
• 4.5 SiCp/6061Al基复合材料等离子弧原位焊接接头力学性能分析
• 4.5.1 显微硬度
• 4.5.2 拉伸性能
• 4.6 焊接熔池缺陷分析
• 4.6.1 气孔
• 4.6.2 裂纹
• 4.6.3 偏析
• 4.7 本章小结
• S接头组织与性能的影响'>第五章 热处理对SiCp/AIMMC_S接头组织与性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 热处理对接头组织的影响
• 5.2.1 热处理对焊缝组织的影响
• 5.2.2 热处理对热影响区组织的影响
• 5.3 热处理对接头力学性能的影响
• 5.3.1 热处理对接头强度的影响
• 5.3.2 热处理对接头硬度的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在读学位期间发表的论文