钛/钢复合板高熵化焊接及接头组织性能研究
钛/钢复合板以纯钛或钛合金为覆层，结构钢为基层，通过爆炸焊或轧制复合而成，兼具钛的优秀耐腐蚀性能和钢的低成本高强度优点，是海洋工程装备理想的耐腐蚀防护材料。由于直接焊接钛/钢复合板焊缝极易生成Fe-Ti金属间化合物，进而危害接头成形和力学性能，目前，钛/钢复合板焊接工艺复杂且存在诸多难题。高熵合金具有高混合熵特性，能够减少金属间化合物的生成。因此，本文以实现钛/钢复合板熔化焊接并促进焊缝原位形成高熵合金为主线，对焊缝成形、微观组织、物相结构以及接头力学性能进行研究，探索改进钛/钢复合板的焊接工艺并尝试提高接头服役性能，相关研究具有重要的理论和实际意义。 本研究首先探索FeCoCrNiMn多主元粉末填充焊接TA1/Q345复合板的可行性，并对比两种不同单面V型坡口下焊缝成形情况的差异。研究发现，仅使用FeCoCrNiMn一种填充材料能够实现TA1/Q345复合板焊接，V型坡口根部开在钢层时接头成形优于V型坡口根部开在钛层。但由于熔焊时大量母材熔化和粉末填充效率较低，导致焊缝中Fe、Ti元素占主导，未能形成高混合熵热力学环境，生成了大量Fe2Ti+(α-Fe+Fe2Ti)E亚共晶结构，并在TA1/Q345/焊缝三金属界面附近形成Fe2Ti+FeTi+TiC三种金属间化合物并产生了裂纹。焊缝硬度最高为841HV0.2，接头抗拉强度仅有117MPa。 随后，为解决粉末填充效率低的问题，以高强高熵合金FeCoNiAlTi作为高熵化焊缝的目标组成，设计并制备了适用于电弧焊的Ni-Co-Al多主元焊丝并用TIG焊焊接TA1/Q345复合板。研究了焊缝高熵化情况并建立焊缝成分-组织物相-接头性能之间的关系。研究发现，使用Ni-Co-Al多主元焊丝能够得到无裂纹、无气孔的TA1/Q345复合板的焊接接头，焊缝中具有五种主元元素并具有较高混合熵，形成了FCC+BCC+Fe-Ti金属间化合物的多相结构。但在TA1/焊缝界面约370μm宽的过渡区和Q345/焊缝界面一宽度约50μm的窄区域内，由于混合吉布斯自由能?Gmix更高且没有形成高混合熵?Smix，该区域富含Fe-Ti金属间化合物。结果还表明，Ti元素含量对高熵化焊缝力学性能影响重大，过量的Ti元素易导致焊缝极高的硬度（853HV0.2）和极低的抗拉强度（123MPa）。试验通过扩大焊接坡口再次完成焊接，有效降低了焊缝中Ti元素含量，进而降低了焊缝的硬度并改善接头强度和塑性。此外，高熵化焊缝表面在3.5wt.%NaCl溶液中具有优于钛/钢复合板母材的良好的耐腐蚀能力。 最后，基于焊缝原位形成具有良好抗裂性能和力学性能的共晶高熵合金，设计制备出四种填充材料Fe25-xCo25Ni25Cu25Tix（x=5,10,15,20）焊接TA2/Q235复合板，并通过梯度改变填充材料化学组成探寻焊缝能够形成大量共晶结构的成分窗口，分析了高熵化焊缝微观组织和力学性能。研究发现，焊缝内形成共晶高熵结构有利于减少焊缝大尺寸裂纹的生成。使用Fe10Co25Ni25Cu25Ti15填充材料的焊缝形成大量共晶结构，焊缝内部未产生裂纹，仅在TA2/WZ/Q235三金属界面发现一长约286μm的裂纹。随着填充材料中Ti元素占比的提升，焊缝物相由FCC+CoFe_B2相转变为FCC+CoFe_B2+(Co,Ni,Fe)Ti_B2相，最终转变为FCC+Fe2Ti_Laves相，焊缝金属的硬度显著提升，对应的接头抗拉强度和塑性则明显降低。
钛/钢复合板;高熵化焊接;接头组织性能;微观组织;力学性能
华东交通大学
硕士
材料科学与工程
刘德佳
2023
中文
TB331
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）