亚稳材料的快速凝固连接

论文摘要

本文采用微型电容储能焊装置,建立以高能密度、高冷速为特征的快速凝固连接条件,分别对急冷Ni-Si共晶合金、Fe-Cu包晶合金和Zr基非晶合金三种不同类型的低维亚稳态箔材进行了快速凝固连接的研究。分析了接头组织形态和熔核形成机制,理论计算了熔核冷却速率,并对接头的力学性能进行了表征。研究结果表明:采用微型电容储能焊机可实现亚稳态箔材的快速凝固连接,接头具有明显的快速凝固组织特征。在厚度为35～45μm的Ni-Si合金箔带的点焊接头中获得了直径约为102μm、高度约48μm的规则扁球状熔核,熔核为均匀细小的等轴晶组织,熔合区宽度约2～3μm,与熔核区毗邻的箔材组织无粗化迹象。接头的冷却速率达7.82×106K/s。Fe-Cu包晶合金的快速凝固连接接头冷却速率高达1.65×106K/s,熔核及其周边箔材组织细小均匀,晶粒尺寸在1～2μm范围内。在快速凝固连接条件下,熔核中产生了液相分离,富Fe相的小液滴在温度梯度驱动的Marangoni运动作用下向熔核中心迁移、凝并和长大,最终形成一种第二相向中心偏聚的组织结构;随着温度梯度的增大,富Fe相液滴的运动速度呈线性增大。电极压力和焊接电压对接头剪切强度影响显著,当U=75V,F=14N时,接头剪切强度最高,达241MPa。XRD和TEM分析结果表明,电容储能焊亦可实现Zr基非晶合金的焊接,获得的接头仍然保持非晶态结构,而没有晶化现象发生。熔核的凝固主要集中在焊接过程的前100μs,冷却速率高达8.08×106K/s。由于非晶合金电阻率较高,其所需的焊接能量小于晶态合金;合适的焊接工艺参数为:U=52V,F=24N;由于非晶合金不存在位错、层错等晶体缺陷,与晶态合金相比其力学性能有大幅度的提高,接头剪切强度可达1123MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 研究背景和意义
• 1.1 亚稳材料简介
• 1.2 快速凝固技术
• 1.2.1 快速凝固分类
• 1.2.2 急冷快速凝固
• 1.2.3 深过冷快速凝固
• 1.3 快速凝固合金
• 1.3.1 微晶合金
• 1.3.2 非晶合金
• 1.4 低维亚稳合金的连接
• 1.4.1 亚稳材料微连接研究现状
• 1.4.2 低维亚稳合金的CDW焊接
• 1.5 本课题研究内容
• 1.5.1 研究目的及意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 研究方案
• 2.1 总体研究方案
• 2.2 试验材料
• 2.3 快速凝固连接条件的建立
• 2.3.1 电路原理图
• 2.3.2 加压装置
• 2.4 试验方法及步骤
• 2.4.1 快速凝固合金箔的制备
• 2.4.2 焊前准备
• 2.4.3 合金箔的点焊连接
• 2.4.4 接头试样制备
• 2.4.5 接头组织分析
• 2.4.6 接头性能表征
• 2.5 焊接参数的确定
• 2.5.1 电极尺寸
• 2.5.2 焊接工艺参数
• 2.6 熔核温度场的数值计算
• 2.7 本章小结
• 3 急冷Ni-Si合金箔的快速凝固连接
• 3.1 引言
• 3.2 急冷合金箔带及接头组织特征
• 3.2.1 急冷合金箔带组织特征
• 3.2.2 Ni-8.24%Si亚共晶接头组织形态
• 3.2.3 Ni-11.53%Si共晶合金接头组织特征
• 3.3 接头冷却速率的数值分析
• 3.4 点焊接头的形成机制
• 3.5 本章小结
• 4 急冷Fe-Cu包晶合金的快速凝固连接
• 4.1 引言
• 4.2 合金成分的选择
• 4.3 合金急冷箔的原始组织
• 4.4 点焊接头的组织分析
• 4.4.1 Fe-50%Cu接头组织形貌
• 4.4.2 Fe-60%Cu接头组织形貌
• 4.5 熔核温度场理论分析
• 4.6 熔核形成机制
• 4.6.1 熔核中液相分离
• 4.6.2 熔核中液相流动
• 4.7 工艺参数对接头质量的影响
• 4.7.1 电极压力
• 4.7.2 焊接电压
• 4.7.3 焊接缺陷
• 4.8 接头断口形貌
• 4.9 本章小结
• 5 Zr基非晶薄带的快速凝固连接
• 5.1 引言
• 5.2 非晶合金的结构分析
• 5.2.1 XRD分析
• 5.2.2 TEM分析
• 5.2.3 DSC分析
• 5.3 点焊接头形貌观察
• 5.3.1 点焊接头的XRD分析
• 5.3.2 非晶接头形貌观察
• 5.4 接头冷却速率的理论计算
• 5.5 焊接参数对接头质量的影响
• 5.5.1 电极压力
• 5.5.2 焊接电压
• 5.5.3 焊接能量
• 5.6 焊接缺陷及预防措施
• 5.6.1 电极的粘附
• 5.6.2 飞溅
• 5.6.3 接头断口
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表论文及所获奖励