块体锆基非晶合金焊接物理冶金机理的研究

论文摘要

非晶合金以其高的强度、耐磨性、耐蚀性、优良的软磁性和低磁损耗等特点,开始在电子、机械、化工等行业得到应用。随着非晶合金研究的深入和发展,非晶合金必将拥有更为广阔的工程应用前景。工程应用中非晶合金的连接是一个无法回避的问题,因而焊接问题显得尤为重要。本文就块体非晶合金在焊接热循环作用下发生晶化的机理、结晶抑制方法以及摩擦焊连接块体非晶合金的内因进行了研究,上述关于非晶合金焊接物理冶金的基础性研究,对于非晶合金的工程应用和学术研究具有非常重要的意义。本文首次采用激光焊接技术连接块体非晶合金Zr45Cu48Al7。微区X射线衍射结果显示:当功率为1200W,光斑直径为0.3mm,焊接速率为8m/min,Ar气保护时,焊接热影响区和焊缝内的合金均保持了非晶特性,成功地实现了块体非晶合金Zr45Cu48Al7的激光焊接;DSC实验结果显示:焊接接头和母材合金具有相同的热特性。本文以复合热源激光穿透焊接模型为基础,模拟了焊接速率为8m/min时,焊接热影响区和焊缝的温度场变化。结果显示,焊缝和热影响区内的合金温度在0.5s之内快速冷却到369°C,远低于该非晶合金的玻璃转变温度（Tg=436°C）,整个接头保持了非晶特性。首次采用激光静止点热源加热块体非晶合金,系统分析了接头的组织、构成演变、晶粒形貌特征和物理冶金机理。结果显示:（1）热影响内非晶合金的晶化是关于非晶合金热稳定性的问题;熔化区内非晶合金的晶化是关于块体非晶合金的非晶形成能力的问题。块体非晶合金加热过程中抑制晶化所需的临界加热速率远大于液态合金冷却过程中抑制晶化所需的临界冷却速率,且制备态的块体非晶合金内存在着原子团簇和晶核,因此,在同一焊接工艺规范条件下,热影响区内的非晶合金比焊缝内的合金更容易晶化。激光成功焊接块体非晶合金的关键在于抑制热影响区内合金的晶化。（2）块体非晶合金的晶粒最大线生长速率所对应的温度值远大于非晶合金最大形核率所对应的温度值,焊接热影响区内沿半径方向不同位置处非晶合金加热速率的不同,造成由熔合区向母材方向上不同位置处的非晶合金晶化时晶粒的生长速率和形核速率的不同。当激光点光源作用块体非晶合金时间为2s时,导致热影响区内的晶粒离母材越近,尺寸越小。随着激光作用时间的减少,焊接热影响区内的晶粒尺寸逐步趋向一致,当激光作用块体非晶合金的时间为0.04s时,整个热影响区内的合金保持了非晶特性。（3）由于块体非晶合金具有很强的抑制晶粒长大能力,使得柱状晶组织在焊缝内得不到充分的长大,随着激光作用于块体非晶合金时间的减少,柱状晶尺寸也随之减小。当激光点光源作用于块体非晶合金的时间为0.08s时,焊缝内没有发现柱状晶,在热影响区和焊缝的交界处存在着半熔化的晶粒;当作用时间为0.06s时,熔合区也从接头中消失。由于DSC的最大加热速率为500K/min,而当前大部分块体非晶合金的临界加热速率均大于500K/min,因此,目前块体非晶合金的连续加热相变曲线（CHT）的求解具有一定的难度。本文首次利用热影响区和母材交界处的临界位置处的热循环曲线与该合金的CHT相切这一关系,采用了一种切实可行的方法求解块体非晶合金的CHT,解决了块体非晶合金领域的一个难点。块体非晶合金的均匀变形通常发生在较高温度范围（>0.70 Tg,Tg为玻璃转变温度）,并且其形变显示出极大的超塑特性。本文采用摩擦焊连接技术,连接具有大超冷塑性温度区间的块体非晶合金Zr65Cu12.5Al7.5Ni15,所用焊接工艺规范为:转速2500r/min,摩擦时间0.5s,摩擦压力100MPa,顶锻时间5s,顶锻压力150MPa。分析结果显示:接触面的温度始终在该合金的晶化温度以下;微区X射线衍射结果证实,整个接头保持了非晶特性;DSC实验结果证实,母材和接头具有相同的热特性,因此,本文成功的实现了块体非晶合金Zr65Cu12.5Al7.5Ni15的摩擦焊连接。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 块体非晶合金的发展及现状
• 1.2 块体非晶合金的性能及应用
• 1.3 块体非晶合金的形成机理
• 1.4 块体非晶合金焊接研究现状
• 1.5 课题研究的目的及意义
• 2 块体非晶合金焊接性和焊接方法可行性分析
• 2.1 前言
• 2.2 块体非晶合金激光焊接可行性分析
• 2.3 摩擦焊连接块体非晶合金棒材可行性分析
• 2.4 本章小结
• 45Cu₄₈Al₇块体非晶合金的激光焊接'>3 Zr₄₅Cu₄₈Al₇块体非晶合金的激光焊接
• 3.1 引言
• 3.2 Zr 基块体非晶合金激光焊接实验
• 3.3 Zr 基块体非晶合金制备及非晶特性的检验
• 3.4 Zr 基块体非晶合金激光焊接工艺
• 3.5 焊接接头晶粒形貌及组织分析
• 3.6 硬度变化与结构驰豫
• 3.7 本章小结
• 45Cu₄₈Al₇激光焊接温度场模拟'>4 块体非晶合金Zr₄₅Cu₄₈Al₇激光焊接温度场模拟
• 4.1 引言
• 4.2 有限元求解
• 4.3 导热物理模型
• 4.4 非晶合金的物理参数
• 4.5 网格划分
• 4.6 温度场模拟结果
• 4.7 本章小结
• 45Cu₄₈Al₇晶化行为研究'>5 激光焊接块体非晶合金Zr₄₅Cu₄₈Al₇晶化行为研究
• 5.1 前言
• 5.2 非晶合金的晶化
• 45Cu₄₈Al₇ 的晶化行为'>5.3 激光焊接块体非晶合金Zr₄₅Cu₄₈Al₇的晶化行为
• 45Cu₄₈Al₇ 晶化动力学'>5.4 块体非晶合金Zr₄₅Cu₄₈Al₇晶化动力学
• 45Cu₄₈Al₇ 连接的分析'>5.5 激光焊接技术成功实现块体非晶合金Zr₄₅Cu₄₈Al₇连接的分析
• 5.6 本章小结
• 48Cu₄₅Al₇物理冶金机理的研究'>6 激光静止点热源作用下块体非晶合金Zr₄₈Cu₄₅Al₇物理冶金机理的研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料的制备及点热源加热块体非晶合金实验
• 6.3 光镜实验结果
• 6.4 工艺规范对非晶合金接头组成的影响
• 6.5 热影响区内合金物理冶金过程
• 6.6 非晶合金熔合区物理冶金过程
• 6.7 非晶合金熔化区物理冶金过程
• 6.8 非晶合金点热源作用过程中的组织变化
• 6.9 激光点热源作用过程温度场数值模拟
• 48Cu₄₅Al₇ 连续加热相变曲线的求解'>6.10 块体非晶合金Zr₄₈Cu₄₅Al₇连续加热相变曲线的求解
• 6.11 块体非晶合金激光焊接条件分析
• 6.12 本章小结
• 65Cu_12.5Al_7.5Ni₁₅'>7 摩擦焊焊接块体非晶合金Zr₆₅Cu_12.5Al_7.5Ni₁₅
• 7.1 前言
• 7.2 摩擦焊原理及特点
• 7.3 块体非晶合金的超塑性
• 7.4 材料的制备及焊接实验
• 7.5 实验结果
• 7.6 过程分析
• 7.7 本章小结
• 8 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 作者攻读博士学位期间发表的论文