铝铜爆炸复合板搅拌摩擦加工界面组织调控研究文献综述

 2021-11-01 22:21:45

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一、课题研究背景铜及铜合金具有优良的导电导热性和延展性,且加工性能良好,在石油石化、船舶、通信和电力系统等领域中得到了广泛应用[1].铝及其合金具有优良的耐腐蚀性、更低的密度、高的比强度及较好的韧性和加工性能,在航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[2].在科学技术高速发展的今天,这些单金属或合金已经很难满足工业生产要求.铜铝双金属复合结构兼具两者的优点,展现出广阔的应用前景[3].目前,铜铝复合结构的加工方法主要有轧制复合[4]、表面喷涂[5]、挤压拉拔[6]、真空钎焊[7]等方法.由铜铝二元相图可知,铜和铝之间的互溶性很小,物理化学性能相差很大,容易形成多种金属间化合物,这些金属间化合物会降低铜铝复合结构的导电性,并且可能造成使用服役过程中形成裂纹并导致断裂破坏.爆炸焊是利用炸药爆炸产生的巨大能量,在微秒级时间内使2块金属板在碰撞点产生很大的应变速率和很高的压力,从而实现同种或异种金属的焊接方法[8].利用爆炸焊接铜铝复合板,不仅可以实现大面积铜铝双金属板材之间的连接,而且可以极大地减少硬脆性金属间化合物的形成.二、选题依据现代机器制造业向轻量化发展,保证设备可靠性的同时,要做到降低金属材料的消耗量,节约成本[9].铜及铜合金导电率高、导热性好、耐腐蚀、加工成形性好等特点,广泛应用于电气、电子、化工、食品、动力及交通等工业部门,但铜在地壳中的含量(质量分数)仅为 0.01%,属于稀缺金属,国内每年需要进口大量铜材[10-11].相比铜及其合金,铝合金具有密度低、耐腐蚀、强度高、热导率和电导率较好等特点而发展迅速,用量仅次于钢铁材料,成为第二大金属材料,广泛应用于航空、造船、高速列车、核工业和汽车等工业部门,与国民建设和国防建设息息相关,铝在地壳中的含量高达 8%,密度比铜小得多,很多性能接近铜,在部分结构中可以用铝合金代替铜,来减轻构件的重量.但是铝合金电阻率大于铜,大约是铜电阻率的 1.5 倍,有些不能用铝合金全部代替铜.为了充分利用 Al、Cu 及其合金各自的优异性能,铝/铜复合接头的应用越来越广泛,因此对铝/铜复合接头的制备与研究具有广泛的前景和深远的意义[12,13].三、国内外研究现状金属间化合物的形成.现有的文献对铜铝爆炸焊接的研究多集中在焊接速度、微观结构与组织界面的研究[14-17]严铿[17]等人,研究了 4mm 厚 5A05/T2 搅拌摩擦焊接头组织特点。

分析得出,当焊接参数为 1100r/min、1~3mm/s 时,焊核区组织发生动态再结晶,呈流线型分布,5A05 铝合金向 Cu 侧扩散程度较大,是 Cu 向 5A05 铝合金扩散程度的两倍。

王希靖[18]对 Al/Cu 异种材料 FSW 进行研究,发现:Al 在前进侧,可以得到成型良好的 Al/Cu 复合接头,并且在焊核区铝、铜相互混合,过渡带厚度为 1~10μm,出现 Al2Cu、Al4Cu9 金属间化合物。

韩丽娟[19]等对 5052/T2 搅拌摩擦焊接头组织与性能进行研究,得出焊核区组织呈洋葱环状,产生了灰白色的 Al/Cu 金属间化合物,硬度值波动较大,可能是铝/铜金属间化合物所致。

柯黎明[20]等人,进行了 LF6/T1 搅拌摩擦焊研究。

研究发现,转速焊速比决定了接头组织及性能,材料厚度较小时,焊接工艺范围更宽;接头发生剧烈塑性流动,形成 Al3.892Cu6.108 金属间化合物,导致接头局部硬度值变大。

王成国[21]等研究了 5A06/T2 搅拌摩擦焊接头的腐蚀性,表明在过渡区 Mg 含量比其他部位高,而且有少量 Al4Cu9 产生,其自腐蚀电位高于铝,导致该区域严重腐蚀。

清华大学的刘鹏[22]等人,通过组织微观分析和焊缝接头的 XRD 物相分析,证实 5A06/T2 搅拌摩擦焊接头在搅拌头旋转速度为 950rpm,焊接速度为 150mm/min时,得到的焊缝接头内没有金属间化合物新相的产生。

Kush P. Mehta 和 Vishvesh J. Badheka[23]研究了 AA6061-T651/Cu 辅助加热拌摩擦焊,研究得出,搅拌区生成了 Al2Cu 和 Al4Cu9 金属间化合物,并且随预热电流的增加金属间化合物的数量增多,接头抗拉强度下降。

Prakash Kumar Sahu[24]等研究了搅拌针偏移量、转速、母材相对位置等对 Al/Cu搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响,研究表明,铜位于前进侧时接头外观及性能更佳,XRD 分析结果显示,焊核区铝/铜相互混合,并产生金属间化合物,金属间化合物的存在导致硬度升高。

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