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有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 3 7 填充材料T i 原位增强S i C p ／l O l A l 基复合 材料T I G 焊接头反应机理 冀国娟1 ，牛济泰2 ，崔颖1 ，杨晓剑1 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要接头组织对焊接接头的性能起着决定性作用，研究表明，在S i C p ／l O l A l 基复合材料T I G 焊焊接过 程中，填充材料T i 与复合材料中的增强颗粒S i C 反应生成了性能更好、颗粒度更小、分布更弥散的T i C 颗粒。 关键词复合材料；S i C p ／l O l ；原位 中图分类号T B 3 3 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 1 一0 0 3 7 0 3 S t u d yo nM e c h a n i s mo fS i C p ／lO1A lM a t r i xC o m p o s i t eT I GW e l d i n g J o i n tw i t hT iF i l l e r ．I n - s i t uR e i n f o r c e m e n t 儿G u o - ju a n l ，N I UJ i - t a i 2 ，C U IY i n 9 1 ，Y A N GX i a o - j i a n l 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a 2 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e ro fH a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，H a r b i n1 5 0 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ew e l d i n gj o i n tm i c r o s t r u c t u r ea f f e c t st h ep r o p e r t i e so fw e l d i n gj o i n td e c i v e l y ．T h er e s u l t s s h o wt h a td u r i n gt h eT I Gw e l d i n go fS i C p ／1 0 1a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ，T if i l l e ra n dS i C pa c ta n d c o m ei n t oT i Cp a r t i c l ew i t hb e t t e rp r o p e r t y ，a n df i n e ra n dm o r ed i s p e r s i n g ． K e y w o r d s C o m p o s i t e ；S i C p ／1 0 1 ；I n s i t u 随着对复合材料应用的广泛推进，对材料各方 面的研究也日益迫切，在涉及到复合材料连接的领 域里，复合槌料的焊接也对复合材料的广泛应用提 出了要求，主要体现在焊接接头的宏观性能上。而 接头的宏观性能很大程度上取决于接头的内部微观 组织结构。本文采用S E M 、T E M 、X 射线衍射分析 等手段对S i C p 颗粒增强铝基复合材料T I G 焊接头 微观组织进行分析，研究了T i 合金对焊缝的原位增 强作用机理。 1 实验方法 实验所用材料为搅拌铸造法制备的微米级颗粒 增强铝基复合材料S i C p ／1 0 1 A l ，增强颗粒平均粒径 1 2 弘m ，增强相体积分数2 0 ％，拉伸强度1 7 0M P a 。 作者简介冀国娟 1 9 7 5 一 ，女，内蒙古赤峰市人，硕士，工程师 焊接材料线切割加工成9 0m m 5 0m m 3 m m 的试件，用1 2 0 8 砂纸打磨去除加工淬硬层，然 后用丙酮清洗。采用0 L Y M P U S P M G 3 万能金 相显微镜观察接头的宏观形貌。采用D ／m a x - r B 旋 转阳极X 射线衍射仪对接头断口进行相结构分析。 用S 一5 7 0 线形扫描电子显微镜所配置的E D X 对焊 缝进行成分分析以判断在T I G 焊焊接接头区域基 体与增强相的结合情况。采用C M l 2 ／S T E M 透射 电镜对焊接接头中微观组织变化及界面行为进行研 究，确定在T I G 焊条件下，界面结合及反应情况。 2 实验结果及分析 采用T i 合金原位增强T I G 焊接头典型微观组 织如图1 所示。 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 图1原位增强T I G 焊典型接头微观组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fi n - s i t ur e i n f o r c e m e n t T I Gw e l dj o i n t 从图1 可以看出，接头组织致密，无明显的气 孔、未熔合等焊接缺陷。这是因为钛合金的加入，明 显提高了熔池的流动性，改善了接头质量。与直接 对焊或填加焊丝相比，焊缝组织已经发生了显著的 变化。从图中基本观察不到S i C 颗粒，只有球形的 微小颗粒，颗粒尺寸 5 扯m ，而且颗粒分布比较均 匀。对该种颗粒进行E D X 分析，从新相的形状及 E D X 分析结果初步推测为T i C 。进一步对接头断 口做x 射线衍射分析，如图2 所示。可以看出在衍 射图谱中除了含有A l 外，还有较强的T i C 峰，可以 判定在焊缝中颗粒状生成物为T i C 。 另外，在扫描电镜下观察焊缝并未发现单质硅， 对接头基体进行E D X 分析，除碳外，主要是A l 和 S i ，还有微量的T i 。 ．“恹j l 显J 止监．R 一． 8 0 图2 接头断口X 射线衍射分析结果 F i g ．2 X R Da n a l y s i so ff r a c t u r e 与基体合金成分进行比较，发现焊缝中基体合 金中S i 的含量明显提高，表明生成的S i 已溶入基 体。但是，在T E M 下观察，能够发现一些S i 颗粒 弥散地分布在基体中，如图3 所示，这表明尽管大部 分原位反应产物S i 大部分已溶入基体，但是由于原 位反应比较迅速，在反应部位S i 的浓度迅速增大， 并未全部固溶于基体，以细小单质颗粒的形式存在。 刁≮。 图3 焊缝中S i 颗粒的T E M 照片 F i g ．3T E Mo fS ii nw e l d 对T i C 与基体之间界面T E M 观察如图4 所 图4 原位增强T I G 焊接头T E M 观察 F i g ．4T E Mo fi n - s i t ur e i n f o r c e m e n t T I Gw e l d i n gj o i n t 从图4 a 可以看出，T i C 颗粒与基体之间界面干 净，结合状态良好，有利于发挥T i C 颗粒对基体的 增强作用。而从图4 b 可以观察到，在T i C ／A l 界面 附近，存在一些颗粒状的S i 。与T i C 不同，S i 并未 一直生长，而只是以小颗粒的形式存在，大部分S i 溶入基体。 图5 为原位增强T I G 焊接头拉伸断口照片。从图 5 可见，在断口上的颗粒表面粘附着基体合金，很难观 察到完全裸露的T i C 颗粒。表明T i C 颗粒与基体结合 紧密，已经取代母材中S i C 颗粒成为焊缝中的增强颗 粒，从而对焊缝起到增强作用，此时接头所承受的载荷 可以由基体通过界面传递给增强相T i C 颗粒。由于新 的增强颗粒为原位生成，与基体处于某种共格或半共 格关系，因而结合紧密，有效克服了自由凝固状态下容 易出现的界面结合不紧密的缺陷。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 3 9 时，尽管能够明显改善熔池的流动性，但是又会造成 焊缝中增强相的贫乏。而对于原位增强T I G 焊，不 仅改善了熔池流动性，又原位生成新的增强颗粒，从 而有效解决了增强颗粒的烧损和贫乏问题。因此， 原位增强T I G 焊铝基复合材料具有明显的优越性， 整个材料转变为母材为S i C p ／A 1 ，而焊缝为T i C p ／ A l 的局部区域。 焊缝中原位生成T i C 颗粒由以下反应实现 T i 1 S i C s 一一T i C s S i s 1 在温度高于8 0 0 * 2 时，T i C 的生成自由能比 A l 。C 。的生成自由能低得多[ 1 ] ，这是因为T i 与C 的 亲和力比A l 与C 的亲和力更大。结果是在熔池中 T i 优先于A l 与S i C 结合，生成T i C 从熔池析出，从 而有效地抑制了A l 。C 。的生成。 熔池中原位反应过程如图6 所示[ 2 ] 。在电弧的作 图5 原位增强T I G 焊接头拉伸断口照片 用下，焊缝金属熔化形成熔池。熔池中的T i 原子开始 F i g ．5 F r a c t u r eo fi n - s i t ur e i n f o r e e m e n t向S i C 颗粒表面扩散 图6 a 。由于T i C 的生成自由能 T I Gw e l dj i o n t 低于虬G 的生成自由能，在高温焊接熔池中，T i 原子 这样，以前在T I G 焊直接焊接铝基复合材料中优先于～原子在S i C 表面发生反应 1 ，在S i C 颗粒表 所出现的焊缝中增强相烧损严重以及生成脆性的 面形成一个反应层 图6 b 。生成的T i C 颗粒在S i C 表 A 1 tC 3 有害相的情况已经有了很大的改善了。在原 面长大到一定程度时，开始离开S i C 颗粒表面向熔池 位增强T I G 焊焊缝中已经很少发现A l tC 3 相，取代 中”漂移” 图6 c 。随着T i 原子的不断扩散，反应一直 的是铝基复合材料中经常使用的另一种增强颗粒 进行，直到S i C 颗粒完全分解生成T i C 颗粒，弥散地分 T i C 。填加铝合金焊丝进行铝基复合材料T I G 焊布于焊缝中 图6 d 。 图6 熔池中原位反应过程示意图 F i g ．6 I n - s i t ur e a c t i o ni nm o l t e np o o l 下转第4 4 页 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 4 0 0 03 5 I o30 0 025 0 020 0 0J5 0 0l0 0 05 0 0 W a v e n u m b e r ／c m 一1 图5 沉淀物在8 0 0 ．1 C 煅烧后的I R 图谱 F i g ．5 I Rs p e c t r ao fp r e c i p i t a t i o np r o d u c t c a l c i n e da t8 0 0 ℃ 2 阴离子的分解作用能够在一定程度上破坏 钴沉淀物的团聚体，使生成的C o 。0 4 呈现多孔的特 征； 3 在阴离子分解过程中产生的氧能够作为生 成C o 。O 。所需的氧源。这种氧已经被固定在固相 中，可直接与C 0 2 作用； 4 利用阴离子分解的行为可以通过选择一定 数量的具有氧化能力的阴离子作为煅烧前驱物的组 成部分，对尖晶石型C o 。0 。的粒度、表面积、孔隙率 进行调控。 参考文献 E l i 陈松．湿法制备单分散C o 。0 。粉末的形貌和粒度控制研 究[ D ] ．长沙中南大学博士学位论文，2 0 0 3 ． [ 2 3 苏勉曾．固体化学导论[ M ] ．北京北京大学出版社， 1 9 8 6 ． [ 3 ] R a b aP ，A n g e l o vS ，L e g o l lP ，e t a l ．F e r r o m a g n e t i s mi n t r i a n g u l a rc o b a l t 1 I l a y e r s C o m p a r i s o no fC o O H 2 a n dC 0 2 N 0 3 0 H 3 [ J ] ．I n o r g ．C h e m ．1 9 9 3 ，3 2 2 4 6 3 ． [ 4 ] V i s h n uK a m a t hP ，H e l e nA n n a lT h e r e s eG ．O nt h ee x - i s t e n e eo fh y d r o t a l c i t e - 1 i k ep h a s ei nt h ea b s e n c eo ft r i v a l e n tc a t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fS o l i dC h e m i s t r y ，1 9 9 7 ，1 2 8 3 8 ． [ 5 ] X uZP ，Z e n gHC ．S y n t h e s i so fC 0 30 4s p i n e la ta m b i e n t c o n d i t i o n s [ J ] ．C h e m ．M a t e r ．，2 0 0 0 ，1 2 3 4 5 9 ． [ 6 ] X uZP ，Z e n gHC ．T h e r m a le v o l u t i o no fc o b a l th y d r o x i d e s ac o m p a r a t i o ns t u d yo ft h e i rv a r i o u ss t r u c t u r a lp h a s e s [ J ] ．J ．M a t e rC h e m ．，1 9 9 8 ，8 1 1 2 4 9 9 ． 上接第3 9 页 3结论 在焊缝中原位生成的T i C 颗粒，不仅性能优于 S i C 颗粒，而且颗粒小分散均匀，在焊缝中有效克服 了用铝合金焊丝直接焊接时导致的焊缝增强颗粒贫 乏和容易生成脆性相的缺陷，生成了更好的增强颗 粒的同时抑制了有害相的生成。优化了焊缝结构， 提高了焊缝质量。 参考文献 [ 1 ] W a n gHM 。C h e nYL 。Y uLG ．’I n - s i t u “ W e l d ～a l l o y i n g ／ l a s e rB e a mW e l d i n go fS i C p ／6 0 6 1A IM M C [ - J - ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，A 2 9 3 1 6 ． E z ] 冀国娟．填充材料对S i C p ／1 0 1 铝基复合材料T I G 焊接 头组织及性能的影响[ D ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学工学 硕士学位论文，2 0 0 2 ． 母它置怎ag】工 万方数据
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