塊體鋯基非晶合金焊接物理冶金機(jī)理的研究.pdf

1、非晶合金以其高的強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性、優(yōu)良的軟磁性和低磁損耗等特點(diǎn)，開(kāi)始在電子、機(jī)械、化工等行業(yè)得到應(yīng)用。隨著非晶合金研究的深入和發(fā)展，非晶合金必將擁有更為廣闊的工程應(yīng)用前景。工程應(yīng)用中非晶合金的連接是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題，因而焊接問(wèn)題顯得尤為重要。本文就塊體非晶合金在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生晶化的機(jī)理、結(jié)晶抑制方法以及摩擦焊連接塊體非晶合金的內(nèi)因進(jìn)行了研究，上述關(guān)于非晶合金焊接物理冶金的基礎(chǔ)性研究，對(duì)于非晶合金的工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究具有非常重

2、要的意義。 本文首次采用激光焊接技術(shù)連接塊體非晶合金Zr45Cu48Al7。微區(qū)X 射線衍射結(jié)果顯示：當(dāng)功率為1200W，光斑直徑為0.3mm，焊接速率為8m/min，Ar 氣保護(hù)時(shí)，焊接熱影響區(qū)和焊縫內(nèi)的合金均保持了非晶特性，成功地實(shí)現(xiàn)了塊體非晶合金Zr45Cu48Al7 的激光焊接；DSC 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：焊接接頭和母材合金具有相同的熱特性。本文以復(fù)合熱源激光穿透焊接模型為基礎(chǔ)，模擬了焊接速率為8m/min 時(shí)，焊接熱影響區(qū)和

3、焊縫的溫度場(chǎng)變化。結(jié)果顯示，焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)的合金溫度在0.5s之內(nèi)快速冷卻到369°C，遠(yuǎn)低于該非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg=436°C)，整個(gè)接頭保持了非晶特性。 首次采用激光靜止點(diǎn)熱源加熱塊體非晶合金，系統(tǒng)分析了接頭的組織、構(gòu)成演變、晶粒形貌特征和物理冶金機(jī)理。 結(jié)果顯示： （1）熱影響內(nèi)非晶合金的晶化是關(guān)于非晶合金熱穩(wěn)定性的問(wèn)題；熔化區(qū)內(nèi)非晶合金的晶化是關(guān)于塊體非晶合金的非晶形成能力的問(wèn)題。塊體非晶合金加

4、熱過(guò)程中抑制晶化所需的臨界加熱速率遠(yuǎn)大于液態(tài)合金冷卻過(guò)程中抑制晶化所需的臨界冷卻速率，且制備態(tài)的塊體非晶合金內(nèi)存在著原子團(tuán)簇和晶核，因此，在同一焊接工藝規(guī)范條件下，熱影響區(qū)內(nèi)的非晶合金比焊縫內(nèi)的合金更容易晶化。激光成功焊接塊體非晶合金的關(guān)鍵在于抑制熱影響區(qū)內(nèi)合金的晶化。 （2）塊體非晶合金的晶粒最大線生長(zhǎng)速率所對(duì)應(yīng)的溫度值遠(yuǎn)大于非晶合金最大形核率所對(duì)應(yīng)的溫度值，焊接熱影響區(qū)內(nèi)沿半徑方向不同位置處非晶合金加熱速率的不同，造成由熔合

5、區(qū)向母材方向上不同位置處的非晶合金晶化時(shí)晶粒的生長(zhǎng)速率和形核速率的不同。當(dāng)激光點(diǎn)光源作用塊體非晶合金時(shí)間為2s 時(shí)，導(dǎo)致熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒離母材越近，尺寸越小。隨著激光作用時(shí)間的減少，焊接熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸逐步趨向一致，當(dāng)激光作用塊體非晶合金的時(shí)間為0.04s 時(shí)，整個(gè)熱影響區(qū)內(nèi)的合金保持了非晶特性。 （3）由于塊體非晶合金具有很強(qiáng)的抑制晶粒長(zhǎng)大能力，使得柱狀晶組織在焊縫內(nèi)得不到充分的長(zhǎng)大，隨著激光作用于塊體非晶合金時(shí)間的減少，

6、柱狀晶尺寸也隨之減小。當(dāng)激光點(diǎn)光源作用于塊體非晶合金的時(shí)間為0.08s 時(shí)，焊縫內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)柱狀晶，在熱影響區(qū)和焊縫的交界處存在著半熔化的晶粒；當(dāng)作用時(shí)間為0.06s 時(shí)，熔合區(qū)也從接頭中消失。 由于DSC 的最大加熱速率為500K/min，而當(dāng)前大部分塊體非晶合金的臨界加熱速率均大于500K/min，因此，目前塊體非晶合金的連續(xù)加熱相變曲線（CHT）的求解具有一定的難度。本文首次利用熱影響區(qū)和母材交界處的臨界位置處的熱循環(huán)曲線與

7、該合金的CHT 相切這一關(guān)系，采用了一種切實(shí)可行的方法求解塊體非晶合金的CHT，解決了塊體非晶合金領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。 塊體非晶合金的均勻變形通常發(fā)生在較高溫度范圍（>0.70 Tg，Tg 為玻璃轉(zhuǎn)變溫度），并且其形變顯示出極大的超塑特性。本文采用摩擦焊連接技術(shù)，連接具有大超冷塑性溫度區(qū)間的塊體非晶合金Zr65Cu12.5Al7.5Ni15，所用焊接工藝規(guī)范為：轉(zhuǎn)速2500r/min，摩擦?xí)r間0.5s，摩擦壓力100MPa，頂鍛時(shí)間