文章编号:1004-0609(2009)02-0241-06
Ti-Al合金对SiCp/6061Al复合材料
等离子弧焊焊缝组织的影响
雷玉成,邵奇栋,张 振,聂加俊
(江苏大学 材料科学与工程学院,镇江 212013)
摘 要:以不同Ti含量的Ti-Al合金作为合金化填加材料,采用氮氩混合等离子气体对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接,研究填加材料Ti-Al中Ti质量分数的变化对焊缝组织的影响。结果表明:在熔池凝固过程中,填加材料中Ti质量分数为10%时,可有效抑制有害针状相Al4C3的生成;随填加材料中Ti质量分数的降低,焊缝中未出现脆性相Al4C3,组织中颗粒相的形貌发生较大变化,Al3Ti相的形状由粗大块状变为细长针状,并且数量大为减少;焊缝中其余增强相的尺寸均变得较为细小。
关键词:SiCp/Al复合材料;Ti-Al合金;等离子弧;原位焊接
中图分类号:TG 456 文献标识码:A
Effect of Ti-Al alloy on microstructures of
weld in plasma arc ‘in-situ’ welding of SiCp/6061Al MMCs
LEI Yu-cheng, SHAO Qi-dong, ZHANG Zhen, NIE Jia-jun
(School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract: The effect of the content variation of titanium in Ti-Al alloy on microstructures of weld of SiCp/6061Al MMC was investigated. The weld was produced by plasma arc ‘in-situ’ weld-alloying welding, argon-nitrogen mixture as plasma gases and Ti-Al alloy as filled composite. The results indicate that when the mass fraction of titanium is 10% in Ti-Al alloy sheet filler, the formation of needle-like harmful phases Al4C3 is effectively prevented during the solidification process of molten pool. With decreasing titanium content in Ti-Al alloy, the morphology of particles changes greatly. The number of phases in microstructures decreases, and the particle morphology of phase Al3Ti changes from massive block to short rod-like shape.
Key words: SiCp/Al composite material; Ti-Al alloy; plasma arc; ‘in-situ’ welding
随着科学技术的快速发展,铝基复合材料(MMCS)以其高的比强度、比刚度、比模量,优异的耐磨性能,良好的耐高温性能以及在性能和加工方面较强的可设计性等特点,在航天、航空、汽车工业、光学仪器和体育用品等领域取得较大的经济效益,显示出广阔的发展前景[1?5]。但是,铝基复合材料(MMCS)的焊接性很差,阻碍了其在工业中的广泛应用[6?7]。
铝基复合材料的焊接技术是其走向工业化必须解决的问题。针对这个问题,国内外已经进行广泛深入的研究,抑制脆生相Al4C3的生成是实现铝基复合材料成功焊接的关键所在;在本课题的前期研究中,通过在焊缝中加入纯钛片,对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接,有效抑制脆性相Al4C3的生成,并分析合金化元素Ti对脆性相Al4C3 的抑制机理[8?11],但是,并未对熔池中Ti含量与其对抑制脆性相Al4C3的效果之间的关系进行细致的研究。研究熔池中抑制脆性相Al4C3所需的Ti含量对降低填加材料的熔点、降低焊接热输入、改善接头的性能有重要意义。因此,本文作者采用Ti-Al合金为填充材料,以氩、氮混合气体作为等离子气,对SiCp6061/Al复合材料进行等离子弧原位焊接,研究不同Ti含量的合金填加材料对焊缝组织的影响。
1 实验
1.1 试验材料
试验所用母材为SiCp/6061颗粒增强铝基复合材料,增强体SiC颗粒体积分数为10%,颗粒的平均尺寸为6 ?m,退火状态下其最大拉伸强度为320 MPa。该复合材料在扫描电镜下的显微组织由于制备方法的限制,材料中增强相颗粒的分布是不均匀的,基体6061Al的化学成分列于表1。
表1 基体材料的化学成分
Table 1 Chemical compositions of aluminum alloy (mass fraction, %)
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image001.jpg)
试验所用填加材料是将Ti、Al单质放入高真空吸铸系统真空熔炼而成的Ti-Al合金,Ti和Al之间的质量比可随意调整。本实验选用3种不同质量比的Ti-Al合金即Ti-60Al,Ti-80Al和Ti-90Al。
表2 Ti-Al合金的化学成分
Table 2 Chemical compositions of Ti-Al alloy
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image002.jpg)
1.2 试验过程
采用线切割方法将SiCp/6061Al复合材料加工成60 mm×20 mm×3 mm的板材,焊前将试件用150# SiC砂纸进行打磨,然后用丙酮清洗干净。实验时,以不同质量比的Ti-Al合金为填加材料,采用Ar+N2为离子气,使用型号为HPT?8的等离子焊枪对SiCp/6061颗粒增强铝基复合材料进行等离子弧焊接。用线切割方法将Ti-Al合金块切割成0.8 mm×1 mm的条状材料作为填加材料。
用光学显微镜和扫描电镜对焊缝组织进行分析。用X射线衍射法结合能谱分析(EDS)进行物相鉴定,扫描角度为20?~80?,速度为8(?)/min,用扫描电镜分析拉伸试样的断口形貌。
2 结果及讨论
图1所示为SiCp/6061Al复合材料等离子弧直接熔化焊接焊缝显微组织像。由图可知:焊缝中增强相SiC颗粒在等离子弧直接熔化焊接过程中基本溶解,并在随后的凝固过程中析出少量的细长针状相和大量较短的针状相,其中较短的针状相为长矩形,呈针状,并含少量黑色不规则块状物。根据能谱(见图2)和X射线衍射分析结果(见图3),可以确定该较短的针状相为Al4C3,与铝合金中对Al4C3的描述基本一致:Al4C3,矩形,厚度t<1 ?m,长度d=0.5~25 ?m,灰色。黑色块状物为初生单质Si。结合图4可以确定其中少量细长针状相为AlN。
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image004.jpg)
图1 SiCp/6061Al直接熔化焊焊缝的SEM像
Fig.1 SEM image of welded joint in PAW without filler
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image006.jpg)
图2 焊缝中较短针状相定的性能谱分析
Fig.2 Energy spectrum qualitative analysis of short needlelike phase in weld
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image008.jpg)
图3 直接熔化焊接焊缝的XRD谱
Fig.3 XRD pattern of welded joint without filler
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image010.jpg)
图4 焊缝中长针状相的定性能谱分析
Fig.4 Energy spectrum qualitative analysis of long needlelike phase in weld
由上述结果可见,焊接过程中基体Al和增强相SiC之间发生了如下界面反应:
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image011.jpg)
生成物Al4C3分布在SiC界面,破坏了增强相与基体原有良好的结合界面,削弱了增强相SiC对焊缝原有的强化作用;同时,生成相Al4C3不仅是一种脆性物,而且极易与水发生发应,形成的气泡又进一步降低了接头的力学性能。
由上述结果可知:在SiCp/6061Al复合材料等离子弧直接熔化焊接过程中,增强相SiC颗粒的溶解以及随后针状有害相Al4C3在焊缝中凝固析出,使得增强相SiC颗粒大量减少,同时,生成物脆性相Al4C3改变了基体与增强相之间的结合机理,降低了焊接接头的力学性能;初生相Si使得焊接接头塑性下降。
图5所示为Ti-60Al合金作为填加材料对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接得到的接头OM形貌。从图中可以看出,接头组织致密,与母材结合良好,没有发现气孔、微观裂纹等缺陷,熔合线附近组织过渡明显,说明在焊接过程中,填加材料Ti-Al合金提高了熔池金属的流动性,有利于H的排出,从而得到质量较高的焊接接头。
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image013.jpg)
图5 填加Ti-60Al合金片时焊接接头的OM形貌
Fig.5 OM macrostructure of joint adding Ti-60Al alloy sheet filler
图6所示分别为填加Ti-60Al、Ti-80Al、Ti-90Al合金片时SiCp/6061Al复合材料等进行离子弧原位焊接接头焊缝中心区的微观组织照片。
从图6(a)可知,组织中存在许多粗大块状相(长度50~200 μm,宽度2~5 μm),这些相之间出现大量均匀分布的具有规则几何外形的块状物,没有发现针状相Al4C3, 也没有发现气孔和裂纹等缺陷。结合能谱分析(见图7)和X射线衍射分析,表明焊缝中心区的粗大块状相为Al3Ti,具有规则几何外形的新生相是TiN和TiC。Al3Ti具有低密度,高比强度,良好的耐热性和抗氧化性,然而,Al3Ti在室温下极脆[12],少量小体积的Al3Ti存在于基体中,可起增强作用。但当其含量过高、尺寸过大时,会贯穿整个晶粒,对基体的连续性有较大的破坏作用[13],造成接头韧性较差,严重降低接头的力学性能。
由图6(b)和(c)可知,填加Ti-80Al、Ti-90Al合金片时焊缝组织的成分与填加Ti-60Al时基本一致,均没有发现针状相Al4C3生成,但是,组织中的颗粒相的形貌发生较大变化。对比图6(a)、(b)和(c)可以发现:随填加材料中Ti含量的降低,焊缝中的Al3Ti相的形状由Ti含量高时的粗大块状,逐渐变为细长针状,并且数量大为减少。焊缝中其余增强相的尺寸也都变得十分细小。周怀营等[14]认为:细化晶粒可以提高Ti-Al合金的延展性,合金化改善Ti-Al合金的室温拉伸性能和断裂韧性。因此,减小Al3Ti相的尺寸将对接头的力学性能产生积极的影响。
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image015.jpg)
图6 填加不同质量比的Ti-Al合金片时焊缝的SEM像
Fig.6 SEM images of welded zone with Ti-Al alloy sheet of different mass ratios: (a) Ti-60Al; (b) Ti-80Al; (c) Ti-90Al
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image017.jpg)
图7 焊缝中针状相的定性能谱分析
Fig.7 Energy spectrum qualitative analysis of needlelike phase in weld
图8所示为填加Ti-90Al合金片时SiCp/6061Al复合材料等离子弧原位焊接熔合区的SEM像。由图可以看出,组织中分布着比较细小的弥散相,没有发现针状Al4C3的生成。
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image019.jpg)
图8 填加Ti-90Al合金片时熔合区的SEM像
Fig.8 SEM image of fusion zone adding Ti-Al alloy sheet filler
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image021.jpg)
图9 填加Ti-60Al合金片时焊接接头组织的XRD谱
Fig.9 XRD patterns of welded joint adding Ti-60Al alloy sheet filler
以上对分别填加Ti-60Al、Ti-80Al和Ti-90Al合金片时接头组织的观察中,均未发现针状相Al4C3生成,说明填加Ti-Al合金对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接时,当填加材料Ti-Al合金中Ti的质量分数为10%时,仍然可以有效抑制Al4C3的生成。
在高真空吸铸系统中,在电弧作用下,Al 与Ti 熔合成为Ti-Al合金,由Ti-Al状态图可知,Ti在α(Al)固溶体中的最大溶解度为1.3%。合金中Ti元素一部分是溶解在α(Al)固溶体中,剩下部分与Al结合形成钛铝化合物。因此,填充材料中的主要成分是α(Al)固溶体和钛铝化合物,如Al3Ti相和AlTi等。
填加Ti-Al合金对SiCp/Al复合材料进行等离子弧原位焊接时,钛铝化合物熔化分解为[Al]和[Ti]。
焊接过程中,熔池内的Ti与其他元素之间发生一系列化学反应,能够抑制Al4C3相的形成。抑制机理 如下:
![](/web/fileinfo/upload/magazine/19/289/image022.jpg)
LEI等[10]分析了填加纯Ti片对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接时元素Ti对脆性相Al4C3的抑制机理,分析主要是针对反应(2)~(6):在反应能自发进行的条件下,?G越小,反应越优先进行。比较反应式(3)与(4)、反应式(3)与(5)可知,TiC和AlN的形成自由能均比Al4C3的小,说明反应(4)和(5)比反应(3)优先发生,从而抑制了反应(3)的进行,也就抑制了脆性相Al4C3的生成。
本文作者主要讨论TiC与A13Ti的形成机理,分析填加材料Ti-Al合金中Ti的含量与对脆性相Al4C3的抑制效果之间的关系。
在焊接过程中,熔池温度T≈1 700 K,此时, ?G 0T, A13Ti??G 0T, TiC,因此,反应(4)比反应(7)先发生,TiC先生成,当熔池中的C被耗尽时,Ti才会与Al反应形成A13Ti。在反应(4)中,[C]主要来源于反应(2)中SiC颗粒的分解,因此,可以认为元素Ti抑制Al4C3的生成主要发生在反应(4)终止之前,即熔池内[C]被耗尽之时。在此之后,熔池中不再生成[C],也就不会产生Al4C3。多余的元素Ti与Al结合发生反应(7),以A13Ti的形式析出。因此,A13Ti相的析出可以看作是抑制反应结束的标志。
通过以上分析可以得出,与填加纯金属Ti片时不同,填加Ti-Al合金对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接时,熔池内反应更加复杂,在熔池凝固过程中,只要维持熔池内元素Ti饱和,就可以有效抑制有害针状相Al4C3的生成。由于Ti在基体铝中溶解度比较微小,因此,抑制Al4C3相所需的元素Ti是微量的。Ti参与一系列抑制Al4C3的反应过程中,生成物主要是TiC、TiN,可以结合焊缝中C、N原子的质量分数和Ti在基体铝中的溶解度计算出抑制针状相Al4C3所需的理论Ti含量。离子气中的N是可控的,可以控制其为微量。因此,根据C原子个数和Ti在基体铝中的溶解度可以计算出相应Ti的理论含量。通过反应式Ti+SiC→TiC+Si进行计算(SiCp/6061 Al 复合材料中的质量分数为11.79%),每单位质量的复合材料需要Ti的质量分数为:11.79%×47.9/(12+28)+ 1.3%≈15%。
在焊接过程中,部分SiCp溶解,因此,填加材料Ti-90Al合金中含Ti量为10%时,能够有效抑制针状相Al4C3的生成。
3 结论
1) 填加不同质量比的Ti-Al合金对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接,随Ti的质量分数降低,组织中的颗粒相的形貌发生了较大变化,Al3Ti相的形状由粗大块状变为细长针状,并且数量大为减少。焊缝中其余增强相的尺寸也都变得十分细小。
2) 填加Ti-Al合金对SiCp/6061Al复合材料进行等离子弧原位焊接过程中,合金化元素Ti有效抑制了有害针状相Al4C3的生成,在熔池凝固过程中,只要维持熔池内元素Ti的含量饱和,就可以有效抑制针状相Al4C3的生成。多余的元素Ti以A13Ti的形式析出。
3) 在焊接过程中,当填加材料Ti-90Al合金中含Ti量为10%时,能够有效抑制针状相Al4C3的生成。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475126);先进焊接技术省级重点实验室基金资助项目(JSAWT-07-04);江苏大学科技创新团队资助项目
收稿日期:2008-05-14;修订日期:2008-09-10
通讯作者:雷玉成,教授,博士;电话:0511-8791919;E-mail: yclei@ujs.edu.cn
(编辑 龙怀中)