超聲輔助雷射釺焊TiNi形狀記憶合金界面反應機理研究

《超聲輔助雷射釺焊TiNi形狀記憶合金界面反應機理研究》是依託北京工業大學，由李紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超聲輔助雷射釺焊TiNi形狀記憶合金界面反應機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李紅
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

基於新一代航空推進系統對降低飛機起飛噪聲和巡航油耗的要求，使飛機更適合長途或越洋飛行，國外正在研製一種高旁通比發動機的自適應TiNi形狀記憶合金-鈦合金鋸齒形尾噴管。針對TiNi形狀記憶合金的組織與性能對溫度和成分變化敏感，焊接性較差的特點，本研究提出一種超聲場和雷射場複合的新型焊接方法，即在焊接件上輔助施加超音波振動場，通過雷射釺焊對TiNi形狀記憶合金與鈦合金進行連線。利用雷射釺焊能量輸入的精確可控性，以較低的功率密度熔化預置釺料，保持母材原有狀態和性能；在釺料熔化和毛細填縫過程施加超聲振動，促進釺料的潤濕和填縫，並控制釺料與母材的相互作用。研究超聲場與雷射場的最佳耦合方式，以及工藝參數對接頭強度和形狀記憶性能的影響，研究超音波作用下釺料的潤濕和鋪展行為；著重研究超聲振動作用下界面反應層的生長行為，揭示界面反應機理，為實現大截面形狀記憶合金和異種結構材料的可靠連線探索一條新的途徑。

結題摘要

基於高旁通比航空發動機用鈦鎳形狀記憶合金(TiNi Shape Memory Alloy，SMA)與鈦合金鋸齒形尾噴管結構的連線問題，針對TiNi SMA的組織與性能對溫度和成分變化敏感，焊接性較差的特點，首次採用超音波輔助雷射釺焊，在超聲場與雷射場耦合作用下，無釺劑、低溫和大氣環境中進行了鈦鎳形狀記憶合金與鈦合金的連線。研究工作主要取得以下成果：(1) 研究了超聲場與雷射場的最佳耦合方式，獲得了釺料潤濕的工藝視窗。當TiNi SMA母材表面粗糙度為0.03μm，雷射功率為470W時，可以在最短時間40s內實現Al基釺料的潤濕鋪展；(2) 研究了工藝參數對Al基釺料在TiNi SMA母材表面潤濕性的影響。隨雷射功率增加，釺料鋪展面積增加，潤濕角減小；隨超聲振動時間增加，釺料鋪展面積先增大後減少，潤濕角先減小後增大。最佳潤濕鋪展工藝參數：超聲振動時間t=1.0s，雷射加熱功率P=470W時，鋪展面積平均值為106.45mm，潤濕角約為16°；(3) 對熔態Al基釺料在TiNi SMA母材表面的潤濕鋪展行為進行了動力學觀察，首次發現超聲和雷射耦合作用可以誘導釺料潤濕前沿出現前驅膜現象，研究了工藝參數對Al基釺料潤濕前驅膜寬度的影響規律，並分析了前驅膜的形成機制。隨超聲振動時間增加，前驅膜寬度先增大後減小；隨雷射加熱功率增加，前驅膜寬度逐漸增大。前驅膜形成可能是因為超音波振動破碎氧化膜，使得活性元素Si以及富Si相在吸附力作用下及超聲作用下吸附在母材表面，並在固液界面處形成一層液態薄膜，降低了界面能，而富集活性元素的液態薄膜會向前移動形成前驅膜；(4) 採用Al-Si-Zn-Ag-Ti釺料在600℃超聲輔助雷射釺焊TiNi SMA和TC4鈦合金，接頭的最高剪下強度達134MPa，接近國外報導的採用Al-Ni-Cu-Si釺料真空釺焊TC4鈦合金接頭的最高剪下強度(142MPa)。接頭拉剪強度隨超聲振動時間增加而增大，在基體兩側均出現厚度不等的擴散層，釺料中的Si元素或富矽化合物向TiNi SMA沉積，促進了Al3Ti金屬間化合物的生長。超聲振動去膜過程中界面氧化膜的演化特徵表現為釺料與母材之間迅速發生反應形成中間層（擴散層），將母材表面的氧化膜向液態釺料內部頂起，並逐漸破碎去除。隨超聲時間增加，氧化膜層開始破碎並向釺料內部移動，最後被界面處新生成的金屬間化合物取代。