铝/钢异质金属旋转摩擦焊研究进展

铝/钢旋转摩擦焊具有焊接质量好、焊接效率高的突出优势,特别适合轴类、管类结构的焊接制造。但是,由于旋转摩擦焊独特的旋转运动形式导致接头中微观组织与接头性能沿径向分布的不均匀性,成为制约其在关键领域应用的瓶颈之一。文中综述了铝/钢异质金属旋转摩擦焊国内外研究现状,主要分析了旋转摩擦焊工艺、微观组织与力学性能等,并探讨了铝/钢旋转摩擦焊技术未来研究的方向。     

基于团簇模型设计的镍基单晶高温合金(Ni,Co)-Al-(Ta,Ti)-(Cr,Mo,W)及其在900℃下1000 h的长期时效行为

基于团簇加连接原子模型,通过Ta-Ti和Ni-Co互换对第一代镍基单晶高温合金进行成分设计,并对所设计的A组和B组成分系列进行选晶法单晶制备、初熔温度测试、标准热处理和900℃、1000 h长期时效。其中,A组为[Al-Ni_(11)Co_1](Al_1Ta_xTi_(0.5-x)Cr_1W_(0.25)Mo_(0.25)),x=0、0.25和0.5(对应Ta和Ti的质量分数分别为0Ta-2.65Ti、4.82Ta-1.26Ti和9.32Ta-0Ti);B组为[Al-Ni_(12-y)Co_y](Al_1Ta_(0.25)Ti_(0.25)Cr_1W_(0.25)Mo_(0.25)),y=1.5、1.75、2和2.5(对应的Co质量分数分别为9.43Co、11Co、12.57Co和15.71Co)。在A组合金中,随Ta的增加(Ti的降低),初熔温度升高,均超过1330℃,其中9.32Ta-0Ti最高,在1335~1340℃之间;标准热处理后g/g′负错配度从-0.262%减小到-0.247%;长期时效中g′的粗化得到抑制,9.32Ta-0Ti的粗化速率最低(K=5.6×10~(-5)mm~3/h)。对于B组合金,Co含量变化未明显改变初熔温度和长期时效g′粗化速率,但初熔温度同样超过1330℃,Co作用主要体现在提高标准热处理后的g′体积分数(约69%)和减小g′尺寸(约0.55 mm)。2组合金的粗化速率均接近三代单晶合金水平(K≈(2.08~3.82)×10~(-5)mm~3/h)。     

6061/A356异种铝合金脉冲MIG搭接焊*

利用直流脉冲MIG焊接技术,进行6061变形铝合金与A356铸造铝合金板材的搭接焊接,并分析接头的力学性能、微观组织及元素分布。拉伸试验结果表明,当A356铸造铝合金板在上,6061变形铝合金板在下,焊枪行走速度为10 mm/s时,搭接接头抗拉强度最高,为95 MPa。接头拉伸试样的断裂位置都位于焊缝区,断裂形式主要为混合型断裂。微观组织及元素分析结果表明,在A356铝合金一侧的部分熔融区内发生Fe和Mg元素偏聚,形成了片状Al-Fe-Si相和颗粒状Al-Fe-Mg-Si相,这两种富Fe相会削弱接头性能。在6061铝合金一侧的部分熔融区内产生了晶界液化,形成了Al-Mg-Si-Cu相+Al固溶体贫化区的液化组织,且该相周围有Fe元素偏聚。三角区是接头中最薄弱的位置,接头拉伸试样均起裂于此并最终断裂于焊缝。     

Microstructure of stainless steel weld in double-sided arc welding

Double-sided arc welding with a single power source can effectively increase the weld penetration, diminish distortion, improve welding speed and save energy. Compared to conventional arc welding processes, double-sided arc welding can generate a penetrating electromagnetic field to help to form fine dendritic microstructure in the weld due to the symmetry of heating. Type 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel was bead-on-plate welded with double-sided arc welding and conventional plasma arc welding processes, respectively, and microstructure in the weld, heat-affected zone and base metal were examined. After analyzing the black carbon-enriched band in the weld during plasma arc welding with electron probe microanalyzer (EPMA) and X-ray diffraction (XRD) technology, it was found that the black band was shaped from the aggregation of ferrite in the fusion boundary. Hardness measurement showed that this black band does not apparently affect the microhardness distribution in the weld.     

Si和Cu元素对铝-镀锌钢GTAW接头性能的影响

通过填加4种不同的焊丝,在焊缝中加入不同含量的Si,Cu元素,进行了5A02铝合金和镀锌钢板之间异种金属的钨极氩弧焊(GTAW)搭接试验.试验发现Cu元素含量高于一定值时,金属间化合物层厚度大于10μm,而当Cu元素含量较低时,随着Si元素加入量的增加,金属间化合物层的厚度减小,最小约为2μm.当Si元素含量大于5%时,抗拉强度接近136 MPa.但此时,制约焊缝性能的主要因素是焊缝根部出现的气孔聚集缺陷.另外,Si元素的加入还可以改善焊缝与铝合金母材连接处柱状晶区的组织.     

Al_2O_3-ZrO_2-Spinel三元纳米复相陶瓷超塑性变形及组织演变

采用真空热压烧结工艺制备了三元纳米复相陶瓷并进行了超塑性压缩试验.结果表明:纳米复相陶瓷中的第二相在烧结和变形过程中有效地阻止了基体Al_2O_3的晶粒长大.在1650 ℃材料表现出良好的高应变速率超塑变形能力,变形抗力小于30 MPa.微观组织观察表明由于变形过程中存在有益压应力,材料变形后晶界处未出现空洞,经变形量为60%的压缩变形后材料中存在较高密度的位错,位错主要存在于尖晶石和氧化锆第二相中,基体Al_2O_3的晶粒仍为等轴状,表明位错运动对晶界滑移起到了积极地协调作用.     

加工道次对FSP制备高熵合金增强铝基复合材料组织和性能的影响

采用搅拌摩擦加工制备了以AlCoCrFeNi_2.1高熵合金为增强相的6061铝合金复合材料(AlCoCrFeNi_2.1/6061Al),重点研究了加工道次对复合材料组织均匀性、界面结合以及力学性能的影响. 结果表明,随搅拌摩擦加工道次的增加,AlCoCrFeNi_2.1/6061Al复合材料组织均匀性及力学性能均得到明显改善. 复合材料中基体与增强相界面结合良好,界面处扩散层厚度随加工道次增加而增大. 相较于不添加增强相的6道次搅拌摩擦加工铝合金,AlCoCrFeNi_2.1增强相颗粒的引入可进一步细化晶粒并提高抗拉强度,且随着加工道次增加,复合材料抗拉强度及断后伸长率均显著升高. 2,4道次下的断口存在明显的颗粒聚集区,而6道次下断口表面颗粒分布均匀且呈现大量韧窝,为典型的韧性断裂. 该现象主要归因于载荷传递效应、弥散强化和细晶强化3大强化机制.     

基于三维双塑性体摩擦副模型的FGH96高温合金管惯性摩擦焊数值模拟

基于弹塑性有限元理论,采用三维塑性体/塑性体摩擦副模型,考虑实际焊接过程中两侧工件散热条件的差异,建立了FGH96高温合金管惯性摩擦焊过程有限元模型,计算了焊接过程中瞬态温度场和轴向应力场的分布,研究了初始转速、顶锻力和转动惯量对接头温度场和飞边形貌的影响。模拟的飞边形貌与试验所得焊件误差仅为5%,验证模型的可靠性。模拟结果表明,惯性摩擦焊过程中,摩擦界面升温迅速,峰值温度可达1 335 ℃,塑性变形主要发生在距界面4 mm的区域内,该区域轴向温度梯度较大。摩擦界面附近压应力值从中心到边缘逐渐降低,界面边缘应力状态由压应力转变为拉应力,飞边根部由于挤压变形,存在压应力集中。提高初始转速和转动惯量均能增加焊接热输入,延长摩擦时间,提升峰值温度,增加飞边挤出量;加大顶锻力可提高机械能转化成热能的效率,缩短摩擦时间,增加轴向缩短量和飞边卷曲度。 创新点： 塑性体/塑性体有限元模型能够综合考虑接触面力的相互作用,采用更符合实际的三维双塑性体模型,对FGH96高温合金环形工件惯性摩擦焊过程进行了数值模拟。     

5083铝合金MIG焊接头微观组织与力学性能

采用熔化极惰性气体保护焊开展了6 mm厚5083-H111铝合金热轧板焊接工艺试验,研究了接头宏观形貌和力学性能随工艺参数的变化规律,分析了不同区域的微观组织和元素分布对接头力学性能的影响。结果表明,采用优化后的工艺参数进行焊接,得到的接头表面成形良好,无明显缺陷。随着送丝速度增加,焊缝宽度随之增加;熔合线附近的热影响区发生完全再结晶,形成了粗大的等轴晶;焊缝边缘沿散热方向形成柱状晶,焊缝中心则为细小的等轴晶组织;Fe和Mn在热影响区偏聚严重,形成Al6(Fe, Mn)相,焊缝中Mg主要分布在晶界处,形成β(Al3Mg2)相。拉伸试验结果表明,接头最大抗拉强度可达307 MPa,约为母材抗拉强度的96%,拉伸后断裂于热影响区,呈韧性断裂;受焊接热输入影响,焊缝和热影响区的硬度低于母材,随着焊接热输入增加,焊缝和热影响区的硬度降低。 创新点： (1)优化焊接工艺参数,获得了表面成形良好的焊接接头。 (2)研究了焊接工艺参数对接头宏观形貌和气孔分布的影响。 (3)阐明了接头不同区域的微观组织和元素分布对接头力学性能的作用机理。     

Al2O3基多元纳米复相陶瓷的制备及其超塑性

采用溶胶-凝胶法制备了Al2O3-ZrO2（3Y）-Spinel纳米复合粉体，其颗粒大小为20-30nm，粒度分布均匀，无硬团聚。采用真空热压烧结工艺制备了纳米复相陶瓷，结果表明：由于纳米复合粉体中的第二相阻止了基体Al2O3的致密化，纳米复合粉体的烧结温度较普通微米粉体相比并没有大幅度降低，其合适的烧结温度为1450～1500℃。烧结体的超塑性压缩试验表明：在1500℃材料表现出良好的超塑变形能力，变形抗力小于30MPa。在整个压缩变形过程中，材料没有出现明显的应变软化，显示出与超塑性拉伸变形截然不同的特性。