微疊層復合材料激光-GMAW復合焊組織結構與性能的相關性中文摘要

針對有應用前景的一種新型輕質微疊層復合材料焊接性的關鍵科學問題進行研究。采用激光-GMAW復合熱源和擴散連接，研究焊接工藝、填充合金和參數(shù)等對微疊層復合材料焊接區(qū)組織、相結構和力學性能等的影響；結合聲像顯微圖像分析，研究微疊層復合材料熱影響區(qū)階梯狀微裂紋起源、擴展及斷裂機制，從理論上闡明微疊層復合材料激光-GMAW焊接區(qū)微觀組織結構與宏觀性能之間內在聯(lián)系的規(guī)律性。解決焊接熱-應力-組織性能模擬的參數(shù)擬合問題，提出保證微疊層復合材料焊接穩(wěn)定性和接頭區(qū)性能的理論基礎，為解決這種韌-脆交替、按亞微米尺寸的層間距及層厚比交互重疊制成的微疊層復合材料焊接的關鍵技術提供基礎理論支持。本項目研究具有自主創(chuàng)新和獨特的技術優(yōu)勢，有助于為這種輕質微疊層復合材料在航空航天、艦船、高速列車制造中的應用提供理論和試驗依據(jù)。

本項研究主要是對微疊層復合材料焊接區(qū)Ti/Al界面附近的顯微組織、相結構與組織性能的相關性進行研究。鈦與鋁熱物理性能相差大，采用傳統(tǒng)熔焊方法進行連接時在Ti/Al界面易生成Ti-Al金屬間化合物，Ti/Al疊層復合材料被認為難以實現(xiàn)熔焊連接。本課題采用鋁基焊絲針對TA15/2024Al疊層材料進行填絲PC-GMAW連接，研究填充金屬合金成分對鈦與鋁接頭組織和性能的影響。研究結果表明，采用Al-Si系填充金屬（如SAl4047焊絲）獲得的Ti/Al焊接界面附近的脆性析出相數(shù)量少，Ti/Al過渡區(qū)組織差異較小且脆性化合物層厚度較小，組織性能較好。采用Al-Mg焊絲或其它焊絲時Ti/Al過渡區(qū)脆性化合物層厚度大，已引發(fā)微裂紋，過渡區(qū)顯微組織差異大。焊接熱輸入對Ti/Al疊層材料PC-GMAW焊縫及Ti/Al過渡區(qū)顯微組織有較大的影響。焊接熱輸入較低時，焊縫中形成了尺寸較小的顆粒狀或短棒狀析出相；焊接熱輸入較大時，焊縫中出現(xiàn)了粗大的條狀、骨骼狀析出相，Ti/Al界面附近形成了多層狀結構的過渡區(qū)。 采用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）以及能譜儀（EDS）、電子探針（EPMA）等測試手段對Ti/Al疊層材料焊接接頭區(qū)域顯微組織、過渡區(qū)相結構和Ti/Al界面附近元素分布等進行分析表明，Ti/Al界面附近由鈦側至焊縫側依次形成Ti3Al、TiAl Ti5Si3、Ti9Al23 Ti5Si3及TiAl3化合物層，控制焊接熱輸入可控制化合物的形態(tài)和分布。采用微機控制電子萬能試驗機對PC-GMAW工藝形成的Ti/Al疊層材料焊接接頭的Ti/Al界面進行拉伸試驗，以評價Ti/Al界面的力學性能，結合系列電鏡試驗和測試結果進行綜合分析。采用SEM、EDS對接頭的斷口形貌進行分析，研究接頭的斷裂行為。采用鋁基填充金屬的Ti/Al接頭抗拉強度可達216MPa，斷裂主要發(fā)生在鈦合金與Ti/Al過渡區(qū)的界面處。國內對微疊層復合材料的研究起步比較晚，制備工藝和性能方面的研究還不夠穩(wěn)定，仍需要研究者對這種微疊層復合材料的制備工藝和結合理論等進行系統(tǒng)和深入的研究，以推進其在航空航天領域中的應用。

由具有兩種或兩種以上纖維的棍雜層鋪疊而成的復合材料，基體一般為高聚物，是混雜復合材料的一種。這種說雜形式義稱八型混雜?；祀s層可以是異種纖維編織的織物，由于混雜纖維束制備工藝塹雜，很少采用層內混雜復合材料除具優(yōu)異力學性能外，特別是由異種纖維間互相分散的程度增大，由此制約的能力增強因而抗裂紋擴展性能更好。層內混雜復合材料的成型方法同一單一纖維復合材料。該種混雜復合材料的混雜層制作比較繁雜。

混雜疊層復合材料是指不同類型的增強組分以疊層結構形式組成的復合材料 。

混雜疊層復合材料的典型例子是鋁/纖維環(huán)氧疊層板。它以鋁片和以纖維(無緯布或織物)為增強組分， 環(huán)氧樹脂為基體的復合材料疊合組成。通常把經(jīng)過表面處理的鋁片與纖維(織物)的環(huán)氧樹脂預浸布交替疊層后熱壓而成。它既有鋁材的耐沖擊、易加工成型的特點，又具有纖維增強環(huán)氧復合材料的耐疲勞與高強度，并且可以選用不同的疊層結構、鋁片厚度、纖維品種及含量來滿足制品的不同性能要求。常用于混雜疊層復合材料的纖維有芳綸、碳纖維、玻璃纖維等,其中鋁/芳綸環(huán)氧疊層板(商品名ARALL)已工業(yè)化，用作飛機的蒙皮材料 。