摘 要

钛合金和铝合金是工业生产过程中普遍应用的金属材料，钛合金和铝合金异种金属的连接可以有效减少结构的重量和元件的成本，在飞行器、航天器等制造业中都有着重要的运用。因此，研究Ti/Al复合结构的焊接具有重要的价值。

本文用多孔Ni作中间层对工业常用的TC4钛合金和1060铝合金进行了真空扩散焊接实验，探究扩散焊接的工艺参数（主要为焊接温度和保温时间）对Ti/Ni foam/Al接头显微结构及力学性能的影响。并对Ti/Ni foam/Al接头进行显微组织结构、元素分布以及力学性能的表征，对剪切试验后的Ti/Ni foam/Al接头断口进行物相表征。

研究表明，随着温度的升高，接头强度增加；随着保温时间的延长，接头强度先增后减，在扩散焊接工艺条件为500℃-90min-20MPa的条件下，可以实现多孔镍作中间层的钛合金和铝合金的可靠连接，接头的剪切强度达30.21MPa。添加多孔金属作中间层可有效避免母材元素原子的金属间化合物的生成，从而有效提高接头质量。

关键词：钛合金，铝合金，扩散焊接，多孔镍。

Abstract

Titanium alloys and aluminum alloys are commonly used in industrial production processes. The connection of titanium alloys and dissimilar metals to aluminum alloys can effectively reduce the weight of structures and the cost of components. It has an important application in the manufacturing of aircraft and spacecraft. Therefore, it is of great value to study the welding of Ti/Al composite structures.

In this paper, porous Ni is used as the intermediate layer for vacuum diffusion welding of TC4 titanium alloy and 1060 aluminum alloy. The study was mainly focused on the influence of diffusion welding process parameters (mainly about welding temperature and holding time) on the microstructure and mechanical properties of the Ti/Ni foam/Al joint. The microstructure, element distribution and mechanical properties of Ti/Ni foam/Al joints were characterized. After shear test the Ti/Ni foam/Al joint fractures was characterized.

The research shows that with the increase of temperature, the joint strength increases and with the increase of holding time, the joint strength increases first and then decreases. Under the condition of diffusion welding process conditions of 500°C-90min-20MPa, a reliable connection of titanium alloy and aluminum alloy with porous nickel as the intermediate layer can be acquired and the shear strength of the joint reaches 30.21MPa. The addition of the porous metal as the intermediate layer can effectively avoid the formation of intermetallic compounds of the atomic elements of the base material thereby improving the joint quality effectively.

Key words: Titanium alloy, aluminum alloy, diffusion welding, porous Ni.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 钛合金和铝合金焊接的研究现状 1

1.2.1 钛合金和铝合金的焊接性 1

1.2.2 钛合金和铝合金扩散焊接的研究现状 3

1.3 多孔金属作中间层的研究现状 4

1.4 本课题的研究目的和研究内容 5

第2章 实验及测试方法 6

2.1 实验材料 6

2.2 实验设备 7

2.3 实验工艺流程 7

2.4 测试方法 9

2.4.1 剪切强度测试 9

2.4.2 微观结构和元素分布 10

2.4.3 物相分析 10

第3章 结果与讨论 11

3.1 焊接温度对Ti/Ni foam/Al扩散焊接的影响 11

3.1.1 不同温度下Ti/Ni foam/Al焊接接头的显微结构 11

3.1.2 不同温度下Ti/Ni foam/Al焊接接头的元素分布 12

3.1.3 不同温度下Ti/Ni foam/Al焊接接头的剪切强度 14

3.1.4 不同温度下Ti/Ni foam/Al焊接接头的断口分析 15

3.2 保温时间对Ti/Ni foam/Al扩散焊接的影响 18

3.2.1 不同保温时间下Ti/Ni foam/Al焊接接头的显微结构 18

3.2.2 不同保温时间下Ti/Ni foam/Al焊接接头的元素分布 19

3.2.3 不同保温时间下Ti/Ni foam/Al焊接接头的剪切强度 20

3.2.4 不同保温时间下Ti/Ni foam/Al焊接接头的断口分析 21

3.3 多孔Ni作中间层的扩散焊接分析 25

第4章 结论 28

参考文献 29

致谢 31

绪论

课题研究背景及意义

随着工业的发展，异种金属的连接将会影响制造领域，成为工业生产中不可缺少的一种先进技术。连接不同的金属可以实现更好的组合，从而提高产品性能，以最大限度地发挥材料各自的优势，以满足汽车工业，航空航天和化学工业等行业的需求。由于化学组成和物理性质的差异，实现异种金属的连接是一个巨大的挑战，接头存在不相容和各种缺陷^[1]。

铝合金具有许多优良特性，如密度小、塑性好、比强度高^[2-4]。钛的密度为4.51 g cm-3，这种轻金属也有幸成为铝，铁和镁之后第四种最丰富的金属结构材料。钛合金和铝合金一样的，具有轻质高强的特性，钛合金和铝合金在制造业中有着较为久远的应用历史和广阔的应用前景 ^[5-7]。