【摘 要】
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异种金属的钛/铜连接可以兼顾高强韧钛合金和高导热导电铜合金的优异性能,在航空航天、船舶及化工等领域具有着良好的应用潜力。然而,钛/铜异种金属显著的理化性能差异,主要包括热导率、热膨胀系数、熔点和冶金不相容性等,使得钛/铜接头的焊接存在着很大的困难,其中以钛/铜金属间化合物（Titanium/Copper Intermetallic Compounds,Ti/Cu-IMCs）层为焊接的主要问题。本论
【基金项目】
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国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备项目--真空电子束焊接设备”； 国家自然科学基金“电子束电负性等离子体结构特征与超深匙孔效应机理研究”； 国家自然科学基金“束流品质表征及其对电子束选区熔化成形质量的影响机制”；
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异种金属的钛/铜连接可以兼顾高强韧钛合金和高导热导电铜合金的优异性能,在航空航天、船舶及化工等领域具有着良好的应用潜力。然而,钛/铜异种金属显著的理化性能差异,主要包括热导率、热膨胀系数、熔点和冶金不相容性等,使得钛/铜接头的焊接存在着很大的困难,其中以钛/铜金属间化合物（Titanium/Copper Intermetallic Compounds,Ti/Cu-IMCs）层为焊接的主要问题。本论文针对该问题,提出了一种异种结合界面Ti/Cu-IMCs层的错位复熔调控焊接方法。研究利用钛合金高熔点、低导热特征,设计了钛/铜熔钎焊后复合钛侧错位焊接调控的工艺方案,通过构建钛侧受控温度场,实现对Ti/Cu-IMCs层的再热复熔,进而达到该层的组织形态重构、凝固结晶控制、应力松弛等微观效应,最终提升钛/铜接头冶金结合强度。本论文通过有限元方法（FEM）模拟,OM（Optical Microscope,光学显微镜）、SEM（Scanning Electron Microscope,扫描电镜）、EDS（Energy Dispersive Spectrometer,能谱仪）、XRD（X-Ray Diffraction,X 射线衍射）、TEM（Transmission Electron Microscope,透射电镜）等微观组织和成分分析、以及拉伸强度、显微硬度等力学性能评价,系统地研究了钛/铜异种金属的焊接特性及其错位复熔调控的微观机理,该研究成果对其它异种合金焊接也具有普遍的借鉴意义。错位复熔调控方法包括两个焊接过程:第一个过程为电子束铜侧熔钎焊形成冶金接头;第二个过程为复合钛侧错位焊接,实现Ti/Cu-IMCs层微观调控。FEM建立了复合钛侧错位焊接的热力模型并表明,异种结合界面可达到980℃至1400℃温度范围,即超过Ti/Cu-IMCs熔点温度,该位置处的IMCs层将发生再热复熔行为。同时,该处的应力状态得到改善,峰值应力由异种结合界面向钛侧焊缝偏移。微观组织及成分研究表明,钛/铜原子间反应将在焊缝中生成多种Ti/Cu-IMCs,其中依附在钛侧异种结合界面生长的IMCs层决定了接头的力学性能,IMCs层内共晶产物TiCu和Ti2Cu相是引起接头破坏的主要致脆因素。减小IMCs层宽度、弥散分布IMCs对于提升接头结合强度具有显著意义。复合钛侧错位焊接时,Ti/Cu-IMCs层位于钛侧熔池热影响区粗晶区内,IMCs层受热熔化,其层状特征消失并形成碎片状形貌,同时该层宽度减小,Cu原子向该层扩散趋势增强。力学性能表明,IMCs层再热复熔调控后,接头拉伸强度提高至210 Mpa,相当于铜基材强度的89%。基于Ti/Cu-IMCs层物相的准确鉴定、热力学自由能计算和扩散动力学分析,揭示了 Ti/Cu-IMCs层的形成机制以及复熔调控增强机理。熔池凝固时,IMCs依据高Ti成分的Ti/Cu共晶反应向高Cu成分的包晶反应的凝固序列生长,各IMCs以层状方式依次生长进而形成了连续的IMCs层形貌。Ti/Cu-IMCs层再热复熔后,在再结晶过程中,凝固序列将演变为高Cu成分的Ti/Cu包晶反应向高Ti成分的共晶反应进行。该凝固模型的改变促进了连续层状形貌碎片化,同时抑制了 Ti/Cu共晶产物的析出,IMCs层宽度减小,Cu元素扩散增强,进而接头性能提高。异种金属的钛/铝、钛/钢连接具有着和钛/铜接头相似的焊接问题,研究根据钛/铜异种金属的错位复熔调控机理,开展了钛/铝、以铜为中间层的钛/钢异种金属的错位复熔调控机理应用研究,并进一步提高了钛/铝及钛/钢异种金属的冶金结合性能。该焊接方法的提出进一步补充了异种金属焊接质量的控制方法体系。
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