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TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷及Ti_3AlC_2陶瓷的电弧焊接

张华  
【摘要】: 本论文研究了TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷之间、Ti_3AlC_2陶瓷与铜合金以及TiC_x-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TiC_x-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Ti_3AlC_2陶瓷块体与铜合金的牢固连接; 3.揭示了TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷及Ti_3AlC_2陶瓷块体的电弧焊接机制; 4.揭示了TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷的TiC_x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Ti_3AlC_2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,TiC_x-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TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷与铜合金的接合强度可达到该TiC_x-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TiC_x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TiC_x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。 Ti_3AlC_2陶瓷块体与铜合金之间的牢固接合,主要归因于Ti_3AlC_2对Cu的高温溶解反应和由此形成的TiC_x-Cu(Al)过渡区;在适当的温度下,Ti_3AlC_2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Ti_3AlC_2分解后留下的TiC_x形成牢固结合,因而实现Ti_3AlC_2陶瓷块体与铜合金之间的接合。由于Ti_3AlC_2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Ti_3AlC_2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TiC_x-Cu(Al)过渡区的显微结构有显著影响。在较低的Ti_3AlC_2陶瓷块体表面温度情况下,所形成的TiC_x-Cu(Al)过渡区内TiC_x相的分布基本上保持Ti_3AlC_2晶粒的骨架形状;在适当的表面温度情况下,所形成的TiC_x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Ti_3AlC_2陶瓷块体表面的温度,所形成的TiC_x晶粒的尺度显著增大。一般地,TiC_x晶粒越小,Ti_3AlC_2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TiC_x-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TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷材料和Ti_3AlC_2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TiC_x-Cu(Al)金属陶瓷材料和Ti_3AlC_2陶瓷材料的工程应用产生重要的推动作用。


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