TiCx-Cu(Al)金属陶瓷及Ti3AlC2陶瓷的电弧焊接

摘要

本论文研究了TiCx-Cu(Al)金属陶瓷之间、Ti3AlC2陶瓷与铜合金以及TiCx-Cu(Al)金属陶瓷与铜合金的无焊料电弧焊接方法,包括对焊接电流密度、拉弧持续时间和接合压力等基本焊接条件的探索,对焊缝及影响区的显微结构和相组成的分析,对焊缝及影响区的破坏强度、电阻率和硬度的测试,以及在此基础上对这些新型材料的焊接机理和焊缝及影响区的结构及相组成对接合强度的影响等方面的探讨;由此获得了如下创新成果:
　　1.首次利用无焊料电弧焊接方法实现了TiCx-Cu(Al)金属陶瓷之间及其与铜合金之间的牢固连接;
　　2.首次利用无焊料电弧焊接方法实现了Ti3AlC2陶瓷块体与铜合金的牢固连接;
　　3.揭示了TiCx-Cu(Al)金属陶瓷及Ti3AlC2陶瓷块体的电弧焊接机制;
　　4.揭示了TiCx-Cu(Al)金属陶瓷的TiCx陶瓷相在焊接过程中的相变行为,及其焊缝和影响区的显微结构对接头强度和电阻率的影响规律;
　　5.发现了电弧焊接过程中Ti3AlC2陶瓷块体与铜合金间焊接界面的部分溶解反应现象。
　　本论文的研究结果表明:在适当的焊接条件下,TiCx-Cu(Al)金属陶瓷之间的接合强度明显超过被焊接材料自身的强度,而TiCx-Cu(Al)金属陶瓷与铜合金的接合强度可达到该TiCx-Cu(Al)金属陶瓷自身强度的95％以上。如此高的接合强度,主要归因于两焊接材料所含金属相之间的熔合、焊缝及影响区材料组织的致密化以及TiCx相晶粒的细化。焊接电流密度和拉弧持续时间对焊接面及其下方临近区域内Cu(Al)的熔融状态及TiCx的相变有显著影响,而接合压力对最终形成的焊缝及影响区的显微结构及其形成过程有显著影响。Ti3AlC2陶瓷块体与铜合金之间的牢固接合,主要归因于Ti3AlC2对Cu的高温溶解反应和由此形成的TiCx-Cu(Al)过渡区;在适当的温度下,Ti3AlC2块体表面及其下方临近区域的Al及少量的Ti被溶入Cu中,形成含Ti的Cu(Al)合金相,并在冷却过程中与Ti3AlC2分解后留下的TiCx形成牢固结合,因而实现Ti3AlC2陶瓷块体与铜合金之间的接合。
　　由于Ti3AlC2陶瓷块体与铜合金的电阻率和热导率存在显著差异,所施加的焊接电流和拉弧时间必须严格控制,以使被焊接的Ti3AlC2陶瓷块体表面和铜合金的表面同时达到适当的温度。在不同的焊接电流和拉弧时间作用下产生的被焊接面的温度以及随后施加的接合压力对起连接作用的TiCx-Cu(Al)过渡区的显微结构有显著影响。
　　在较低的Ti3AlC2陶瓷块体表面温度情况下,所形成的TiCx-Cu(Al)过渡区内TiCx相的分布基本上保持Ti3AlC2晶粒的骨架形状;在适当的表面温度情况下,所形成的TiCx晶粒大多为细小的片状六边形,它们均匀地弥散分布在网络状的Cu(Al)合金相中;进一步提高Ti3AlC2陶瓷块体表面的温度,所形成的TiCx晶粒的尺度显著增大。
　　一般地,TiCx晶粒越小,Ti3AlC2陶瓷块体与铜合金之间的接合越牢固。接合压力也对最终形成的TiCx-Cu(Al)过渡区的显微结构及其致密度有显著影响。本论文的这些研究工作和所获得的创新成果为TiCx-Cu(Al)金属陶瓷材料和Ti3AlC2陶瓷材料的复杂形状零部件的制造提供了新的技术途径和实施手段,将对新型的高性能TiCx-Cu(Al)金属陶瓷材料和Ti3AlC2陶瓷材料的工程应用产生重要的推动作用。

目录

致谢

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 Ti_3AlC_2陶瓷的研究现状

1.2.1 Ti_3AlC_2陶瓷的制备

1.2.2 Ti_3AlC_2陶瓷的结构

1.2.3 Ti_3AlC_2陶瓷的性能

1.2.4 Ti_3AlC_2陶瓷的焊接

1.3 铜基复合材料的研究现状

1.3.1 铜基复合材料概述

1.3.2 MAX/Cu 复合材料

1.3.3 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷的研究现状

1.4 陶瓷连接的研究现状

1.4.1 机械连接

1.4.2 粘接连接

1.4.3 焊接技术

1.5 本论文的研究目标和内容

1.5.1 研究目标

1.5.2 研究内容

第二章 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

2.1.1 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷

2.1.2 Ti_3AlC_2陶瓷

2.1.3 铜合金材料

2.2 焊接方法

2.2.1 试验装置

2.2.2 焊接前试样的准备

2.2.3 焊接过程及工艺分析

2.2.4 试验类型和条件

2.3 显微结构观察与分析

2.3.1 显微结构观察

2.3.2 物相组成分析

2.4 性能测试

2.4.1 强度

2.4.2 硬度

2.4.3 电阻率

第三章 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷对 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷的电弧焊

3.1 前言

3.2 低陶瓷含量 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷自身间的焊接

3.2.1 试验工艺及焊接试样强度

3.2.2 接头显微结构

3.2.4 接头硬度和电阻率

3.3 高陶瓷含量 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷自身间的焊接

3.3.1 典型接头分析

3.3.2 主要焊接工艺参数对接头显微结构和性能的影响

3.4 不同陶瓷含量的 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷间的焊接

3.4.1 接头显微结构

3.4.2 接头物相组成

3.4.3 接头性能

3.5 本章小结

第四章 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷对 Cu 合金的焊接

4.1 前言

4.2 低陶瓷含量的 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷对 Cu 合金的焊接

4.2.1 试验工艺

4.2.2 接头显微结构

4.2.3 工艺参数对接头结构和性能的影响

4.3 高陶瓷含量的 TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷对 Cu 合金的焊接

4.3.1 试验工艺

4.3.2 接头显微结构

4.3.3 接头性能

4.4 本章小结

第五章 Ti_3AlC_2陶瓷对 Cu 合金的焊接

5.1 前言

5.2 试验工艺的确定

5.2.1 焊接电流密度的范围

5.2.2 典型工艺

5.3 接头组织分析

5.3.1 显微结构与元素分布

5.3.2 物相组成

5.4 焊接机理

5.4.1 界面反应

5.4.2 接头成形过程

5.4.3 工艺参数的影响

5.5 接头性能

5.5.1 焊接试样弯曲强度

5.5.2 接头硬度

5.5.3 接头电阻率

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

作者简历

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