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《吉林大学》 2011年
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TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料激光焊研究

李洪梅  
【摘要】:TiNi形状记忆合金是一种新型的功能材料,它具有特殊的形状记忆效应和超弹性及优良的抗腐蚀性、生物相容性,在航空航天、原子能、机械电子、海洋开发、仪器仪表以及医疗领域等具有广阔的应用前景。材料的发展历史证明,任何先进材料的广泛应用不仅取决于其自身的性能,而且也依赖于其自身及与其它异种材料连接技术的进步。迄今为止,由于缺乏TiNi形状记忆合金与其它异种材料焊接理论和焊接技术的研究,无法获得满足使用性能的TiNi形状记忆合金异种材料焊接接头,这一定程度上制约了TiNi形状记忆合金的更广泛应用。因此,开展TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料激光焊研究,不仅可丰富材料焊接基本理论,而且有利于促进TiNi形状记忆合金与其它异种材料连接技术的发展,具有重要的理论意义和实用价值。 本文首先较系统地研究了激光焊参数(脉冲能量/脉冲宽度)对TiNi合金、不锈钢同种材料激光焊接头熔透率、熔化宽度、微观组织及力学性能的影响规律。为揭示TiNi合金/不锈钢异种材料激光焊焊接性、提高接头性能,提供必要的理论依据。研究结果表明,激光焊参数对TiNi合金、不锈钢同种材料熔透率、熔化宽度、微观组织及力学性能具有明显的影响。熔透率和熔化宽度均随脉冲能量和脉冲宽度的增大而增加。采用相对较大的脉冲宽度(≥5ms)时,脉冲能量的可调范围宽,可有效避免产生飞溅、烧穿等缺陷。TiNi合金激光焊接头焊缝区的晶粒大小是不均匀的,主要由B2相和B19’相构成,并含有Ti2Ni金属间化合物、位错及气孔和裂纹缺陷;热影响区(HAZ)的突出特点是晶粒粗化。TiNi合金激光焊接头最大抗拉强度为367MPa,仅达到母材强度(1030MPa)的35%,断裂发生在焊缝区,断口具有典型的脆性断裂特征。主要归因于焊缝区的铸造组织、组织的不均匀性、有效承载面积的降低、气孔和裂纹的产生及H2、O2、N2等有害气体的侵入。不锈钢激光焊接头组织是不均匀的。从焊缝到母材依次为胞状晶和胞状树枝晶→等轴晶→带状组织。不锈钢激光焊接头最大抗拉强度为680MPa,明显低于不锈钢母材的抗拉强度(1870MPa),断裂发生在焊缝区,断口具有韧性断裂特征。 TiNi合金/不锈钢异种材料激光焊接头的成分和组织分布极不均匀。焊缝区主要由B2、B19'、γ-Fe、α-Fe、TiFe2、TiFe、TiCr2、TiNi3、Ti2Ni相构成。接头抗拉强度平均值仅为187MPa,远低于两种母材自身的抗拉强度。激光焊接头明显脆化,拉伸时几乎不产生应变,接头断裂多发生在TiNi合金侧的熔合区,断口具有典型的脆性断裂特征,断口表面存在气孔和裂纹缺陷。接头弯曲角度几乎为零。接头力学性能明显恶化的主要原因是焊缝金属存在大量脆硬的金属间化合物,也与焊缝区存在微观成分、组织分布的不均匀性及存在气孔和微裂纹缺陷有关。 改变激光光斑位置(激光光斑位置偏向不锈钢一侧0.2mm)明显降低了TiNi合金的熔合比,减少了焊缝区含Ti的金属间化合物,一定程度上缓解了TiNi合金/不锈钢激光焊接头的脆性。接头强度在179~213MPa之间,没有明显改善接头的力学性能。 施加顶锻力获得的焊缝宽度较窄,接头拉伸过程中产生较明显的塑性变形,接头抗拉强度提高,达到280~298MPa。与未施加顶锻力获得的激光焊接头相比,接头抗拉强度提高50%以上。但是与母材强度相比,接头强度仍较低,仅达到TiNi合金母材抗拉强度的29%。接头断裂主要发生在TiNi合金侧的熔合区,主要归因于该区生成大量的金属间化合物。 加镍中间层实现了TiNi合金/不锈钢激光焊接。随着镍中间层厚度的增加,接头抗拉强度和延伸率明显增加,当镍中间层厚度为50μm时,接头抗拉强度和延伸率达到最大值,分别为372MPa和4.4%。与未加中间层的接头相比,接头抗拉强度提高98.9%,主要是归因于焊缝金属γ-Fe相增多,TiFe2、TiCr2等金属间化合物减少。当进一步增加镍中间层厚度(70μm~100μm)时,接头力学性能下降,主要归因于TiNi3、B19'相增多。研究发现,随着Ni中间层厚度的增加,焊缝产生气孔、缩孔及裂纹等缺陷的倾向增大。接头弯曲角小于90。,无法测试TiNi合金侧热影响区的变形恢复率。 加钴中间层实现了TiNi合金/不锈钢激光焊接。随着钴中间层厚度的增加,接头抗拉强度和延伸率明显增加,当钴中间层厚度为20μm时,接头抗拉强度和延伸率达到最大,分别为347MPa和4.2%。与未加中间层的接头相比,接头抗拉强度提高85.6%,主要归因于Fe-Ti、Cr-Ti等金属间化合物含量降低。当继续增加钴中间层厚度(50μm)时,接头抗拉强度和延伸率下降,主要归因于Co-Ti金属间化合物含量的增加。接头弯曲角小于90°,无法测试TiNi合金侧热影响区的变形恢复率。 加铜中间层实现了TiNi合金/不锈钢激光焊接。随着铜中间层厚度的增加,接头强度和延伸率明显提高,当铜中间层厚度为80μm时,接头强度和延伸率达到最大值,分别为521MPa和5.2%。与未加中间层的接头相比,接头抗拉强度提高178.6%,主要归因于焊缝金属中α-Cu固溶体增多,Fe-Ti、Cr-Ti金属间化合物减少。进一步增加铜中间层厚度至120μm,接头强度和延伸率降低,与焊缝金属Cu-Ti金属间化合物增多有关。当中间层厚度在40μm~120μm之间时,接头弯曲角均可达到180。而不发生断裂,接头的TiNi合金侧热影响区均具有较高的形状恢复率,达98.09%~99.10%。 采用铜中间层及激光焊接技术成功地研制出TiNi形状记忆合金与不锈钢复合矫治丝。复合矫治弓丝的TiNi合金/不锈钢接头的抗拉强度大于520MPa;接头弯曲角可达180°:TiNi合金侧热影响区变形恢复率大于98%,满足牙齿正畸矫治丝使用性能的要求。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG456.7

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