鈦合金與鋁合金材料釬焊接頭組織及力學(xué)性能

邱 花

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710089)

在現(xiàn)代航空航天和大型器械制造領(lǐng)域，一些高精尖的設(shè)備設(shè)施如機(jī)載偵查導(dǎo)彈導(dǎo)引、信號感應(yīng)器等所用的光電平臺和外部主體均需要使用鋁合金為主要的結(jié)構(gòu)材料。但是金屬鋁和鋁合金具有比較高的熱膨脹系統(tǒng)，所以以鋁合金為主要結(jié)構(gòu)的光電平臺抗熱載荷能力極差，很容易影響相關(guān)導(dǎo)向精度、視距穩(wěn)定、圖像清晰度、信號接受度等重要技術(shù)指標(biāo)。而鈦合金的熱膨脹系數(shù)僅為鋁合金的三分之一，但是比模量卻是鋁合金的三倍，如果將鈦合金應(yīng)用于鋁合金的相關(guān)構(gòu)件制造中，將會大幅提高鋁合金構(gòu)件的穩(wěn)定性和應(yīng)用強(qiáng)度。對此提出了一種新的非真空超聲焊接法，可以有效解決了兩種金屬同時潤濕結(jié)合的問題，并對其釬焊接頭和力學(xué)性能進(jìn)行綜合測評[1]。

1 釬焊材料及方法

1.1 釬焊材料選擇

本次焊接選擇的鈦合金機(jī)體材料為TC4其主要成分如表1所示。

表1 鈦合金元素成分表

為了方便使用非真空超聲焊接法后，對鈦合金和鋁合金用釬焊接頭的組織及力學(xué)性能進(jìn)行檢測，在焊接前可以將兩種合金材料均加工為60mm×20mm×10mm立方體。釬焊材料選擇為zn-3Cu-Si釬焊料，根據(jù)檢測，釬焊料熔點(diǎn)為380攝氏度左右，抗壓強(qiáng)度為300MPa[2]。

1.2 焊接方法

本次實驗選擇超聲輔助釬焊技術(shù)，其具體焊接步驟如下：在焊接前，需要將鈦合金完全浸入液態(tài)純鋁金屬液體中，靜置五分鐘后，取出平整表面。將處理后的鈦合金和鋁合金塊相互搭接，橫截面完全重后裝入夾具并放置于釬焊平臺上，并將焊接材料放在兩種合金橫截面中間夾緊。焊槍溫度超過450攝氏度以后，釬焊材料會開始融化，施加超聲震動，持續(xù)五秒，等待兩種合金冷卻，焊接宣告完成。實驗超聲頭頻率最好為50kHz，超聲波振動幅度為20納米[3]。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 釬焊接頭微觀組織

利用光學(xué)顯微鏡對前焊接頭進(jìn)行整體微觀組織掃描，通過對鈦合金和鋁合金釬焊接頭的顯微組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，釬焊縫中的沒有明顯的氣孔、夾雜、焊縮孔等現(xiàn)象。焊縫內(nèi)側(cè)出現(xiàn)明顯起伏和凹凸，證明釬焊材料完全溶解于焊縫。另外通過微觀觀測可以確定，鈦合金和鋁合金表面的氧化膜已經(jīng)被徹底去除，釬焊縫處，兩種母材結(jié)合情況較好，完全達(dá)到冶金結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步放大焊接縫組織可以發(fā)現(xiàn)，zn-3Cu-Si中的Si顆粒已經(jīng)完全與焊接縫結(jié)合，并保持原有的規(guī)格尺寸，沒有出現(xiàn)因為金屬顆粒為濕潤和產(chǎn)生的孔洞，也沒有出現(xiàn)由于釬焊接頭反應(yīng)，而產(chǎn)生的顆粒溶解現(xiàn)象。其原因主要是因為釬焊時，溫度始終保持在450度左右，這樣的溫度下Si顆粒、鋁顆粒和其他實驗用到的金屬顆粒不會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，形成金屬化合物。此外，通過光學(xué)顯微鏡的放大觀察可以看到在焊縫中，出現(xiàn)了大量規(guī)格為10納米左右的金屬顆粒，應(yīng)該是鋁合金中的Zn元素向外擴(kuò)散，遷移到了焊縫中，并與鋁合金中的Al元素單獨(dú)結(jié)合，形成了Zn-Al固溶體。通過對此類固溶體進(jìn)一步物理測試，可以確定，該固溶體熔點(diǎn)低于450攝氏度。焊接時呈液態(tài)分布，并可以自由流動，并與釬焊材料中的Si顆粒一同形成新的復(fù)合顆粒，并產(chǎn)生集聚[4]。

（1）基本工作內(nèi)容。有了第一次礦產(chǎn)區(qū)劃的經(jīng)驗，第二輪顯得更為完善一些，為了完成任務(wù)，當(dāng)時政府和專業(yè)商議后擬定了四個基本工作內(nèi)容。第一，參與此次礦產(chǎn)區(qū)劃的省市，必須嚴(yán)格負(fù)責(zé)本次工作，相鄰省份之間只進(jìn)行資料交流，報告文書只針對各省份情況不同編制跨省的區(qū)劃報告文件。第二，本次礦產(chǎn)區(qū)劃工作在第一次劃分的礦區(qū)帶基礎(chǔ)上圈出成礦遠(yuǎn)景區(qū)。第三，本次工作要突出任務(wù)重心，將礦種選擇放在工作首要位置，第一輪時僅對四種礦產(chǎn)進(jìn)行研究，而第二次則將銅、鉛、鋁、錫、氧化錳等十八種作為勘察重點(diǎn)，從這些導(dǎo)向礦種我們不難發(fā)現(xiàn)第二次的豐富性，更展現(xiàn)了國家對地質(zhì)研究的決心和信心。第四，本次工作要尋找新理念、新思想、新方法，突破原有的礦產(chǎn)區(qū)劃模式，利用現(xiàn)代科技手段進(jìn)行多方找礦工作。

（2）工作成果。第二輪礦產(chǎn)區(qū)劃工作結(jié)束后，收獲比第一輪豐碩許多，首先，參與本次工作的省市共遞交了二十八份報告文書，通過對文書的統(tǒng)計本次工作共圈出1208個成礦遠(yuǎn)景區(qū)，這一報告是非常振奮人心的，是我國50年代以來第一次圈出這么多成礦遠(yuǎn)景區(qū)，為當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展提供了不少幫助。

（3）第三次礦產(chǎn)區(qū)劃工作。第三次礦產(chǎn)區(qū)劃工作時間為2006-2014年，是三次中歷時最長的一次礦產(chǎn)區(qū)劃工作，進(jìn)入新世紀(jì)以后，我國的國情發(fā)生不小的變化，人們的生產(chǎn)生活離不開礦產(chǎn)資源，而國家也正是考慮到了這一點(diǎn)下發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》，該報告中指出，第三次礦產(chǎn)區(qū)劃是一次重要的國情調(diào)查，目的為了全面掌握我國現(xiàn)存礦產(chǎn)、礦種的各項情況，也是我國一次重要的地質(zhì)學(xué)、國情的考察。

第三次礦產(chǎn)區(qū)劃工作的成果非常顯著，共完成了25個礦種的資源潛力估算，并根據(jù)探索的數(shù)據(jù)劃分了94個三級成礦帶，評定25個礦種的資源潛力和空間分布特征，相對于前幾次的勘察，本次的勘察更為實用。同時第三次礦產(chǎn)結(jié)束后匯集了全國礦產(chǎn)勘查和預(yù)測的各項數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)非常齊全，并在不斷實踐中形成了一批地質(zhì)勘查學(xué)的專業(yè)人才。

4 總結(jié)及討論

通過三次礦產(chǎn)區(qū)劃工作，給國家的地質(zhì)科學(xué)研究和礦產(chǎn)勘查累積了大量資料和技術(shù)，并豐富我國礦種的開發(fā)形式。在這三次工作中我們不難發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)區(qū)劃工作是集基礎(chǔ)性、公益性、科研性、先導(dǎo)性于一體的礦產(chǎn)勘查前期工作，而區(qū)域成礦學(xué)是礦產(chǎn)區(qū)劃的指導(dǎo)理論、實施礦產(chǎn)區(qū)劃的科學(xué)依據(jù)，礦產(chǎn)區(qū)劃成果一般直接用于部署礦產(chǎn)勘查工作。礦產(chǎn)區(qū)劃工作作為一種地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作，是國家發(fā)展地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)開采的基礎(chǔ)，是提高礦產(chǎn)挖掘工作效率，提升礦產(chǎn)出產(chǎn)量的做法，值得大力推廣。

[1]陳鄭輝，王登紅，盛繼福，應(yīng)立娟，梁婷，王成輝，劉麗君，王永磊．2015．中國錫礦成礦規(guī)律概要．地質(zhì)學(xué)報，89（6）：1026-1037．

[2]蔡煜琦，張金帶，李子穎，郭慶銀，宋繼葉，范洪海，劉武生，漆富成，張明林．2015．中國鈾礦資源特征及成礦規(guī)律概要．地質(zhì)學(xué)報，89（6）：1051-1069