发布日期：2025-11-23 19:37:53
引言
核动力航空是未来航空领域的一项前沿先进技术,拥有潜在的巨大优势并面临巨大的挑战。锆合金作为核反应堆结构材料[1-2],具有优异的耐腐蚀性能、力学性能、高温稳定性和低中子截面等特点[3-4],被广泛应用于化工和核工业。钛合金作为一种轻质合金,因其优异的力学性能和耐腐蚀性被广泛应用于航空航天领域[5~7]。锆和钛都具有HCP结构,并在微观上表现出相似性。因此,锆合金与钛合金的结合可以在保持优异性能的同时实现轻量化设计。在过去的研究中,研究人员探索了不同的焊接方法和工艺,以实现锆合金与钛合金的有效连接。SUN等[8]成功地利用钛作为中间层,实现了Zr-4合金的低温扩散连接。在650℃时,剪切强度达到294MPa。LI等[9]对TA1和Zr-4合金表面进行了纳米技术处理,成功实现了钛和锆的扩散焊接。研究结果表明,纳米处理后的接头缺陷减少,抗拉抗剪强度比原接头提高112.9％。GAREEV等[10]对1mm厚的Zr-4合金和钛合金ＯＴ4板材进行了锁孔式电子束焊接,得到了几乎没有缺陷的焊接接头,接头强度达到738MPa。虽然扩散焊、电子束焊等焊接方法在性能上已经满足了工业需求,但在实际生产过程中,扩散焊通常需要较长的焊接时间,导致效率较低;而电子束焊需要真空环境,对设备要求较高。电阻点焊(RSW)作为一种常用的金属连接方法,在汽车、航空以及核燃料领域得到了广泛的应用[11-15],具有操作简单高效、成本低、焊接质量高等特点。因此,本研究采用电阻点焊工艺开展R60702锆合金与Ti6Al4V(TC4)钛合金的焊接,并对焊接接头的组织和力学性能进行分析评价。本研究填补了锆合金和钛合金电阻点焊工艺的空白,对核动力航空具有重要的潜在意义。
1、材料和方法
R60702合金的质量分数为2.22wt.%Hf、0.044wt.%Fe、0.009wt.%Cr和余量Zr,TC4合金的质量分数为6.15wt.%Al、3.96wt.%Ｖ和余量Ti。本研究实验采用尺寸为100mm×25mm×1ｍｍ的TC4合金作为基材,R60702合金厚度1ｍｍ。电极材料采用半径为8mm的圆弧电极。整个焊接过程采用水冷却。焊接前用砂纸对表面进行打磨。R60702合金置于上电极,TC4合金置于下电极。实验中设置的焊接参数为:焊接电流分别为6kA、8kA、10kA、12kA,焊接压力为2.4kN,焊接时间为80ms。采用光学显微镜(OM,ＳｍａｒｔｚｏOM5)观察RSW接头的形貌。利用扫描电子显微镜(SEM)、Sigma500和能谱仪(EDS)对其微观结构和元素分布进行了分析。采用Ｘ射线衍射(XRD,Ｄ8Ａｄｖａｎｃｅｄ)对熔核区(NZ)进行物相分析;采用华银ＨＶ-1000Ａ维氏显微硬度计进行硬度测试;采用ＵＴＭ6104试验机,以2mm/ｍｉｎ的速率进行拉伸-剪切试验。拉剪试件尺寸为100mm×25ｍｍ。
2、结果与讨论
接头宏观形貌如图1所示。焊接接头表现为非对称熔核,可明显观察到两侧熔核宽度差异,即TC4合金侧宽于R60702合金侧,主要是由于R60702合金与TC4合金在导热率和电阻率方面的巨大差异。熔核的运动方向是产生较高热量和表现出较慢散热的区域。随着焊接电流的增大,熔核的尺寸逐渐增大。如图2所示,随着焊接电流从6kA增加到12kA,熔核的尺寸呈线性增长趋势。熔核的宽度从4.666mm线性增加到6.667ｍｍ,而熔核的高度从1.449mm线性增加到1.625ｍｍ。需要注意的是,当焊接电流达到12kA时,焊接过程中会产生大量飞溅,如图3所示,在10kA焊接电流下,接头中产生了(Zr,Ti)固溶体。此外,从图4中可以观察到,熔核中的元素分布均匀,表明获得了良好的冶金结合效果。然而,当热输入较小时,两板之间的界面处存在间隙,无法实现良好的冶金结合。
图5为R60702合金、TC4合金母材和RSW焊接接头在不同电流作用下的显微组织。由图5(ａ)和图5(ｂ)可知,R60702合金由致密排列的等轴HCP组织的α-等轴晶组成,晶粒直径约为40μｍ;TC4合金由均匀分布的等轴暗相α和亮相β组成。由于最低温度存在于熔池边缘,低熔点溶质优先在这些区域非均质成核。垂直于熔池边缘的成核晶粒在外延生长的驱动下沿相反的冷却方向长大为β粗柱状晶粒。随后,在更快的冷却速度驱动下,发生固相转变(β→α′)。平行初生马氏体在固相转变初期迅速形核[16],并在晶界处停止生长。接着,次生马氏体逐渐向垂直于初生马氏体的方向形核生长,形成相互缠绕的组织形态。最终的组织尺寸和形貌受冷却速率的控制。当冷却速率较大时,发生无扩散相变,形成脆硬相α′马氏体。随着冷却速率的降低,有形成篮状魏氏组织和平行板状魏氏组织的趋势。热输入的变化既影响柱状晶粒的宽度,也影响魏氏组织和α′马氏体的尺寸。α′马氏体的尺寸随着热输入水平的增加而扩大,由图5(ｃ)—图5(ｆ)给出最热输入增加,TC4侧焊核马氏形态的变化,当焊接电流12kA时,马氏体出现显著的粗化。
接头的力学性能和断裂特征如图6—图9所示。接头显微硬度分布如图6所示。TC4合金母材和R60702合金母材的显微硬度约为360ＨＶ500ｇ和235ＨＶ500ｇ,而熔核的显微硬度约为340ＨＶ500ｇ。焊接过程中形成的显微组织对焊接接头的显微硬度值有显著影响。R60702合金基体由α-等轴晶粒中密集排列的等轴HCP组织组成,而熔核组织由魏氏组织和α′马氏体组成,具有较高的硬度。图7为峰值荷载数据,图8描述了在拉剪应力测试中观察到的断裂破坏模式,图9为6kA~12kA焊接电流下R60702合金和TC4合金的断口形貌。随着热输入的增加,平均峰值负荷逐渐上升。焊接电流为6kA时,平均峰值负荷为4.29kN,失效模式为界面失效模式[17]。此时断裂面呈河流状,属于脆性断裂。在焊接电流为8kA时,平均峰值载荷为6.51kN,并伴有部分界面破坏模式。断口表面出现大量韧窝,属于塑性断裂。在焊接电流为10kA和12kA时,平均峰值载荷分别达到7.75kN和6.29kN,失效模式过渡到拉拔失效。焊接电流为10kA时,断口出现大量韧窝,为典型的塑性断口;焊接电流为12kA时,断口出现解理面,表现出脆性断裂特征。值得注意的是,在12kA时剪切峰值负载显示减少,这与焊接过程中发生的内部飞溅缺陷有关,同时也和焊核内马氏体组织的粗化密切关联。
3、结语
1)研究采用电阻点焊制备了R60702合金和TC4合金在不同参数下的成型接头,接头呈非对称核块,并产生(Zr,Ti)固溶体,熔合区由魏氏组织和α′马氏体组成。
2)随着焊接电流的增大,接头的峰值拉剪载荷先增大后减小,当焊接电流为10kA时,接头力学性能最佳,拉伸剪切峰值荷载达到7.75kN。
3)大热输入下接头具有良好的力学性能,断口表面有大量的韧窝,显示出典型的塑性断裂行为。随着焊接电流的增大,断裂破坏模式由界面破坏模式转变为部分界面破坏模式,再转变为拉出破坏模式。
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（注，原文标题：R60702锆合金和Ti6Al4V钛合金电阻点焊的微观组织与力学性能研究）
tag标签:TC4钛合金,异种金属电阻点焊,R60702锆合金