钛合金与铝基复合材料及力学性能分析_论文精选_好文学网。钛合金与铝基复合材料及力学性能分析_论文精选_好文学网。1.在航空航天领域中,长期以来机载侦察及导弹导引所必需的光电平台以铝合金、钛合金和钛/铝复合构件作为其主要结构材料,其中铝合金具有较高的热膨胀系数,所以导致光电平台结构抗热载荷作用的能力很差,进而直接影响系统的测量精度、视轴稳定和图像清晰度等关键技术指标,因此降低平台结构材料的热膨胀系数势在必行[1-2]钛合金与铝基复合材料及力学性能分析_论文精选_好文学网。。高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数可以比铝合金低60%,其比模量比铝合金高出近2倍,同时还使铝合金构件的平均谐振频率提高约60%~70%[3-5]钛合金与铝基复合材料及力学性能分析_论文精选_好文学网。。如果采用高体分SiCp/Al复合材料代替钛/铝复合构件中铝合金,那么构件的刚度和疲劳强度等将会得到很大的提高,并且复合构件中的焊接应力也将会下降[6-8]。

2.1.5而Al元素曲线在界面层上出现一个峰值平台,可以确定在此处应为成分稳定的金属间化合物相。Zn元素曲线在界面处变化幅值很大,说明Zn元素扩散很少,没有参与界面反应。Si元素的含量较小,说明Si元素也没有参与界面反应。这从另一个方面也说明了界面层中,Ti元素和Al元素的比例近似保持恒定,为金属间化合物。此外,V元素没有呈现出明显的扩散特征,所以可以确定该化合物一定为TiAl3相。由于钎焊前钛合金进行了浸铝处理,液态铝合金相对钛合金试样,是大量的且充足的。在液态铝合金充足的情况下,固态钛与液态铝之间进行的反应只能生成TiAl3相[8-9],这与本试验中观察到的现象是一致的。另外TiAl3相的形成和长大分为两种机制:界面反应控制和扩散控制。第一个阶段为界面反应控制,在时间非常短的情况下,TiAl3只在平行于界面的方向上非均匀形核,形成一层金属间化合物,如图3所示;第二个阶段为扩散控制,随着保温时间增长,金属间化合物的厚度增加,TiAl3在垂直于界面的方向上通过扩散开始生长,并且金属间化合物会开始变得松散,与铝形成二相结构。本试验中所观察到的接头中TiAl3相只有一个薄层,可以确定TiAl3相应为钛合金浸铝的界面反应控制阶段所生成。

钛合金与铝基复合材料及力学性能分析_论文精选_好文学网。2.1.1图1所示为钛合金/复合材料钎焊接头的显微照片。通过对接头的显微组织观察可发现,在钎缝中没有观察到夹杂、缩孔、气孔等缺陷。复合材料的表面变得凹凸不平,表明钎料对复合材料基体产生了溶解。另外还观察到钛合金与复合材料母材表面氧化膜去除彻底,钎缝与两种母材结合界面良好,钛合金与复合材料两种母材与钎料之间达到了良好的冶金结合。进一步放大钎缝组织发现,SiC颗粒与钎料合金界面结合紧密,没有因颗粒未润湿而形成的孔洞缺陷。SiC颗粒均保持原始形状与尺寸,没有观察到由于界面反应而导致的颗粒溶解现象。这主要是因为焊接的温度为420℃,SiC颗粒与Zn、Al等金属之间没有发生化学反应,形成界面金属间化合物。

钛合金与铝基复合材料及力学性能分析

二、结果与讨论

1.3然后将钛合金与复合材料搭接在一起装入夹具,放在焊接平台上,钎料放置在两种材料焊接面中间,升高温度达到420℃至钎料熔化后,施加超声振动5s,再保温4min完成焊接。其中超声头产生频率为20kHz,超声波振幅为10μm。采用日本日立公司生产的S-4700线性扫描电子显微镜对钎焊接头微观组织观察,用所配置的能谱分析仪对接头中各位置的成分进行测定。焊接接头在电子万能试验机上进行剪切试验,测试速度为0.5mm/min。剪切试样搭接尺寸为10mm×10mm×16mm,为了确保接头的剪切强度的准确性,同一工艺至少选用3个焊接试样进行试验。

1.1钛合金基体材料为TC4,其成分为:0.3%Fe,0.15%Si,0.1%C,0.05%N,0.015%H,0.2%O,5.5%Al,4.5%V,余量Ti。复合材料是采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料,其SiC颗粒的体积分数约为55%,由平均尺寸为~10μm及~50μm的两种颗粒混合而成。复合材料的基体为ZL101铝合金,是Al-Si-Mg系合金,可热处理强化,强度较高,塑性较好,其基体合金的化学成分Si-0.3Mg-Ti。

引言:

2.由于高体分SiCp/Al复合材料制备工艺的特点,其内部总存在一定的空隙率,高体分SiCp/Al复合材料中增强相与基体之间的物理、化学性能差异很大。还有高体分SiCp/Al复合材料与钛合金在物理化学性质和力学性能方面存在着巨大差异,这些特殊性给其连接带来很大的困难[9-12]。到目前为止,尚未查到国内外关于高体分SiCp/Al复合材料与钛合金连接的报道。本文使用了一种操作方便的非真空超声辅助钎焊方法,利用Zn-Al钎料钎焊TC4钛合金和高体分SiCp/Al复合材料,解决了钎料同时与金属和复合材料同时润湿结合的问题,并对接头的组织结构和接头的剪切强度进行了分析。

2.1钎焊接头显微组织

2.2.1本研究还对钛合金/复合材料钎焊接头进行了力学性能测试,测试方式采用压剪施力形式,此时母材受到的是压应力。在此钎焊条件下钛合金/复合材料接头的剪切强度为144~167MPa。图4所示为钎焊接头剪切后钛合金侧宏观断口形貌,从图中可以看出剪切断面主要有D区和F区两种形貌所构成。其中E区为两种形貌的过渡区,过渡区里存在部分断面平整的SiC增强相颗粒,并且所有SiC增强相颗粒均与其周围基体结合紧密,没有发生脱粘现象。

2.1.3从照片可以观察到整个钎焊接头由3部分构成:复合材料、钎缝和钛合金。其中A区所示组织成分主要由70.65%的Zn和26.65%的Al所构成,B区所示组织呈现细小的条纹组织,包含Zn、Al和Cu3种元素,其中Al元素的质量分数约8%。结合Zn-Al合金二元相图可知,可以确定该钎缝中A区应为α-Al,B区应为典型的共晶相,由Zn-Al二元共晶相及Zn-Al-Cu三元共晶相混和而成。由于在整个钎缝的形成过程中先结晶的α-Al生长的比较充分,尺寸约为30~70μm,其组织都呈大块状,分布于细小而连续的共晶组织中。在钎缝的显微组织中有少量尺寸约10μm的SiC增强相颗粒,这些颗粒以单独的形式分布于大块状α-Al之间。在钎焊接头中的钛合金侧Zn-Al钎料与钛合金直接接触并也完全润湿。由于焊接前钛合金进行了浸铝处理,因此在焊接时钛合金表面应该有浸铝层的存在。

2.2钎焊接头力学性能

2.1.4但从图2中并未观察到浸铝层的存在,所以可以推测浸铝层与Zn-Al钎料发生了相互溶解。这个溶解过程使浸铝层中的铝进入到钎缝中,并在钎缝中形成灰色的α-Al相。还可以观察到钛合金与钎料的界面有一层非常薄的黑色组织,其厚度在2μm左右,应为浸铝或钎焊时反应生成的金属间化合物。通过对黑色薄层组织EDS分析发现,该组织主要由Ti和Al两种元素所构成,如表1所示。Ti元素与Al元素的比值接近1比3,所以推测该化合物可能为TiAl3相。图3所示为钛合金/钎缝界面区域的线扫描结果。EDS线扫描曲线显示了Ti,Al,Zn和Si在界面层及钛合金、钎缝中的元素含量变化趋势。其中Ti元素曲线在钎缝中下降为小值,说明Ti元素几乎没有向钎缝中扩散。

采用Zn-Al钎料实现了TC4钛合金和55%SiCp/Al复合材料的非真空刮涂钎焊。借助扫描电镜和能谱分析等测试手段,分析了接头的显微组织结构。下面是小编搜集整理的相关内容的论文,欢迎大家阅读参考。

1.2复合材料无压浸渗工艺流程如下:首先,将适宜品质及两种粒径的SiC颗粒进行混合,将其装入耐高温模具中并将其堆积密度精确控制在55%~57%内。然后采用氮气保护,加热到800℃保温数小时。即可实现SiC颗粒密堆积体与熔铝之间的高质量的无压浸渗复合,从而获得完整、致密的复合材料坯锭。两种材料都被加工成50mm×10mm×8mm。试验所采用的钎料为Zn-4Al-3Cu-1Si钎料,其熔点为380~399℃,抗拉强度为250~300MPa。试验采用超声辅助钎焊,其工艺是首先在690~900℃范围内,让钛合金浸入液态纯铝5min后取出处理表面至平整。

一、试验材料及方法

摘要:通过一种超声辅助钎焊连接方法,采用Zn基钎料对TC4钛合金和55%SiCp/Al复合材料进行了钎焊连接。通过扫描电镜、能谱议及电子万能试验机对钎焊接头的微观组织、界面成分及接头的剪切强度进行了分析研究。结果表明,超声辅助钎焊连接方法可以有效实现钛合金与55%SiCp/Al复合材料的冶金连接。接头中复合材料侧界面氧化膜完全消失,并且基体中的小尺寸SiC颗粒向钎缝中大量迁移。而在钛合金侧界面处只生成了一种金属间化合物TiAl3,平均厚度为2~4μm。在420℃焊接时接头的高剪切强度可达到167MPa,其试样接头断裂于金属间化合物TiAl3和55%SiCp/Al复合材料的界面区附近。

时间:2017-05-19 16:29点击: 次来源:网络作者:佚名评论:- 小 + 大

关键词:钛合金;复合材料;钎焊;显微组织;力学性能

2.1.2同时可以在钎缝中观察到许多尺寸在10μm以内的颗粒,推测应是复合材料中小尺寸的SiC颗粒迁移到钎缝中。说明Zn-Al钎料中的Zn元素向复合材料中进行了扩散,并与复合材料基体中的Al元素形成Zn-Al固溶体。根据Zn-Al二元相图,这种固溶体的熔点低于400℃,在焊接温度时呈液态,可以自由流动。此时钎料中原有的富Al相及SiC颗粒与Zn-Al固溶体共同形成了微小的部分熔化区,SiC颗粒随着熔化区一起进行了流动,导致SiC颗粒脱离了复合材料基体。由于小尺寸的SiC颗粒比大尺寸SiC颗粒更易于运动,所以在钎缝中观察到了大量的小尺寸SiC颗粒。图2所示为钛合金/复合材料钎焊接头的扫描电镜照片。