引言

核動(dòng)力航空是未來(lái)航空領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿先進(jìn)技術(shù),擁有潛在的巨大優(yōu)勢(shì)并面臨巨大的挑戰(zhàn)。鋯合金作為核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料[1-2],具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性和低中子截面等特點(diǎn)[3-4],被廣泛應(yīng)用于化工和核工業(yè)。鈦合金作為一種輕質(zhì)合金,因其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[5~7]。鋯和鈦都具有HCP結(jié)構(gòu),并在微觀上表現(xiàn)出相似性。因此,鋯合金與鈦合金的結(jié)合可以在保持優(yōu)異性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。在過(guò)去的研究中,研究人員探索了不同的焊接方法和工藝,以實(shí)現(xiàn)鋯合金與鈦合金的有效連接。SUN等[8]成功地利用鈦?zhàn)鳛橹虚g層,實(shí)現(xiàn)了Zr-4合金的低溫?cái)U(kuò)散連接。在650℃時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到294MPa。LI等[9]對(duì)TA1和Zr-4合金表面進(jìn)行了納米技術(shù)處理,成功實(shí)現(xiàn)了鈦和鋯的擴(kuò)散焊接。研究結(jié)果表明,納米處理后的接頭缺陷減少,抗拉抗剪強(qiáng)度比原接頭提高112.9％。GAREEV等[10]對(duì)1mm厚的Zr-4合金和鈦合金ＯＴ4板材進(jìn)行了鎖孔式電子束焊接,得到了幾乎沒(méi)有缺陷的焊接接頭,接頭強(qiáng)度達(dá)到738MPa。雖然擴(kuò)散焊、電子束焊等焊接方法在性能上已經(jīng)滿足了工業(yè)需求,但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,擴(kuò)散焊通常需要較長(zhǎng)的焊接時(shí)間,導(dǎo)致效率較低;而電子束焊需要真空環(huán)境,對(duì)設(shè)備要求較高。電阻點(diǎn)焊(RSW)作為一種常用的金屬連接方法,在汽車、航空以及核燃料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11-15],具有操作簡(jiǎn)單高效、成本低、焊接質(zhì)量高等特點(diǎn)。因此,本研究采用電阻點(diǎn)焊工藝開(kāi)展R60702鋯合金與Ti6Al4V(TC4)鈦合金的焊接,并對(duì)焊接接頭的組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。本研究填補(bǔ)了鋯合金和鈦合金電阻點(diǎn)焊工藝的空白,對(duì)核動(dòng)力航空具有重要的潛在意義。

1、材料和方法

R60702合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.22wt.%Hf、0.044wt.%Fe、0.009wt.%Cr和余量Zr,TC4合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.15wt.%Al、3.96wt.%Ｖ和余量Ti。本研究實(shí)驗(yàn)采用尺寸為100mm×25mm×1ｍｍ的TC4合金作為基材,R60702合金厚度1ｍｍ。電極材料采用半徑為8mm的圓弧電極。整個(gè)焊接過(guò)程采用水冷卻。焊接前用砂紙對(duì)表面進(jìn)行打磨。R60702合金置于上電極,TC4合金置于下電極。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的焊接參數(shù)為:焊接電流分別為6kA、8kA、10kA、12kA,焊接壓力為2.4kN,焊接時(shí)間為80ms。采用光學(xué)顯微鏡(OM,ＳｍａｒｔｚｏOM5)觀察RSW接頭的形貌。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、Sigma500和能譜儀(EDS)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和元素分布進(jìn)行了分析。采用Ｘ射線衍射(XRD,Ｄ8Ａｄｖａｎｃｅｄ)對(duì)熔核區(qū)(NZ)進(jìn)行物相分析;采用華銀ＨＶ-1000Ａ維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試;采用ＵＴＭ6104試驗(yàn)機(jī),以2mm/ｍｉｎ的速率進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn)。拉剪試件尺寸為100mm×25ｍｍ。

2、結(jié)果與討論

接頭宏觀形貌如圖1所示。焊接接頭表現(xiàn)為非對(duì)稱熔核,可明顯觀察到兩側(cè)熔核寬度差異,即TC4合金側(cè)寬于R60702合金側(cè),主要是由于R60702合金與TC4合金在導(dǎo)熱率和電阻率方面的巨大差異。熔核的運(yùn)動(dòng)方向是產(chǎn)生較高熱量和表現(xiàn)出較慢散熱的區(qū)域。隨著焊接電流的增大,熔核的尺寸逐漸增大。如圖2所示,隨著焊接電流從6kA增加到12kA,熔核的尺寸呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。熔核的寬度從4.666mm線性增加到6.667ｍｍ,而熔核的高度從1.449mm線性增加到1.625ｍｍ。需要注意的是,當(dāng)焊接電流達(dá)到12kA時(shí),焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量飛濺,如圖3所示,在10kA焊接電流下,接頭中產(chǎn)生了(Zr,Ti)固溶體。此外,從圖4中可以觀察到,熔核中的元素分布均勻,表明獲得了良好的冶金結(jié)合效果。然而,當(dāng)熱輸入較小時(shí),兩板之間的界面處存在間隙,無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。

圖5為R60702合金、TC4合金母材和RSW焊接接頭在不同電流作用下的顯微組織。由圖5(ａ)和圖5(ｂ)可知,R60702合金由致密排列的等軸HCP組織的α-等軸晶組成,晶粒直徑約為40μｍ;TC4合金由均勻分布的等軸暗相α和亮相β組成。由于最低溫度存在于熔池邊緣,低熔點(diǎn)溶質(zhì)優(yōu)先在這些區(qū)域非均質(zhì)成核。垂直于熔池邊緣的成核晶粒在外延生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)下沿相反的冷卻方向長(zhǎng)大為β粗柱狀晶粒。隨后,在更快的冷卻速度驅(qū)動(dòng)下,發(fā)生固相轉(zhuǎn)變(β→α′)。平行初生馬氏體在固相轉(zhuǎn)變初期迅速形核[16],并在晶界處停止生長(zhǎng)。接著,次生馬氏體逐漸向垂直于初生馬氏體的方向形核生長(zhǎng),形成相互纏繞的組織形態(tài)。最終的組織尺寸和形貌受冷卻速率的控制。當(dāng)冷卻速率較大時(shí),發(fā)生無(wú)擴(kuò)散相變,形成脆硬相α′馬氏體。隨著冷卻速率的降低,有形成籃狀魏氏組織和平行板狀魏氏組織的趨勢(shì)。熱輸入的變化既影響柱狀晶粒的寬度,也影響魏氏組織和α′馬氏體的尺寸。α′馬氏體的尺寸隨著熱輸入水平的增加而擴(kuò)大,由圖5(ｃ)—圖5(ｆ)給出最熱輸入增加,TC4側(cè)焊核馬氏形態(tài)的變化,當(dāng)焊接電流12kA時(shí),馬氏體出現(xiàn)顯著的粗化。

接頭的力學(xué)性能和斷裂特征如圖6—圖9所示。接頭顯微硬度分布如圖6所示。TC4合金母材和R60702合金母材的顯微硬度約為360ＨＶ500ｇ和235ＨＶ500ｇ,而熔核的顯微硬度約為340ＨＶ500ｇ。焊接過(guò)程中形成的顯微組織對(duì)焊接接頭的顯微硬度值有顯著影響。R60702合金基體由α-等軸晶粒中密集排列的等軸HCP組織組成,而熔核組織由魏氏組織和α′馬氏體組成,具有較高的硬度。圖7為峰值荷載數(shù)據(jù),圖8描述了在拉剪應(yīng)力測(cè)試中觀察到的斷裂破壞模式,圖9為6kA~12kA焊接電流下R60702合金和TC4合金的斷口形貌。隨著熱輸入的增加,平均峰值負(fù)荷逐漸上升。焊接電流為6kA時(shí),平均峰值負(fù)荷為4.29kN,失效模式為界面失效模式[17]。此時(shí)斷裂面呈河流狀,屬于脆性斷裂。在焊接電流為8kA時(shí),平均峰值載荷為6.51kN,并伴有部分界面破壞模式。斷口表面出現(xiàn)大量韌窩,屬于塑性斷裂。在焊接電流為10kA和12kA時(shí),平均峰值載荷分別達(dá)到7.75kN和6.29kN,失效模式過(guò)渡到拉拔失效。焊接電流為10kA時(shí),斷口出現(xiàn)大量韌窩,為典型的塑性斷口;焊接電流為12kA時(shí),斷口出現(xiàn)解理面,表現(xiàn)出脆性斷裂特征。值得注意的是,在12kA時(shí)剪切峰值負(fù)載顯示減少,這與焊接過(guò)程中發(fā)生的內(nèi)部飛濺缺陷有關(guān),同時(shí)也和焊核內(nèi)馬氏體組織的粗化密切關(guān)聯(lián)。

3、結(jié)語(yǔ)

1)研究采用電阻點(diǎn)焊制備了R60702合金和TC4合金在不同參數(shù)下的成型接頭,接頭呈非對(duì)稱核塊,并產(chǎn)生(Zr,Ti)固溶體,熔合區(qū)由魏氏組織和α′馬氏體組成。

2)隨著焊接電流的增大,接頭的峰值拉剪載荷先增大后減小,當(dāng)焊接電流為10kA時(shí),接頭力學(xué)性能最佳,拉伸剪切峰值荷載達(dá)到7.75kN。

3)大熱輸入下接頭具有良好的力學(xué)性能,斷口表面有大量的韌窩,顯示出典型的塑性斷裂行為。隨著焊接電流的增大,斷裂破壞模式由界面破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠纸缑嫫茐哪Ｊ?再轉(zhuǎn)變?yōu)槔�出破壞模式�?/p>

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（注，原文標(biāo)題：R60702鋯合金和Ti6Al4V鈦合金電阻點(diǎn)焊的微觀組織與力學(xué)性能研究）

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tag標(biāo)簽:TC4鈦合金,異種金屬電阻點(diǎn)焊,R60702鋯合金

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