[發(fā)明專利]一種5083鋁合金/TC4鈦合金結(jié)構(gòu)的電弧增材制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811404193.1
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109332860B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙東升;汪驥;孔樂樂;吳亮亮;劉玉君
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B23K9/235
• 分類號: B23K9/235;B23K9/167;B23K9/32
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽;楊翠翠

一種5083鋁合金/TC4鈦合金結(jié)構(gòu)的電弧增材制造方法，屬于異種材料的電弧增材制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法是在鈦合金結(jié)構(gòu)表面利用電弧增材制造的方法先實(shí)現(xiàn)鋁合金與鈦合金的連接，然后再完成鋁合金結(jié)構(gòu)的成形。利用鋁合金與鈦合金熔點(diǎn)差別大的特點(diǎn)，使用鎢極氬弧作為熱源加熱鋁合金焊絲使之熔化并與鈦合金形成連接，然后再利用增材制造的方法制備鋁合金結(jié)構(gòu)，最終形成鋁合金/鈦合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該方法實(shí)現(xiàn)了大型或復(fù)雜鋁合金/鈦合金結(jié)構(gòu)的制造，既能提高接頭的力學(xué)性能，又簡化工序?qū)崿F(xiàn)了鋁合金/鈦合金方便、高效、自動化的連接。采用該方法能夠有效的減少連接界面金屬間化合物層的厚度，鋁合金/鈦合金連接界面金屬間化合物層的厚度約為2.25?3.5μm，接頭連接強(qiáng)度可達(dá)171.6MPa。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種5083鋁合金/TC4鈦合金結(jié)構(gòu)的電弧增材制造方法，屬于異種材料的電弧增材制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋁合金和鈦合金在多個工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，而鋁合金/鈦合金的連接結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮二者的綜合性能優(yōu)勢，在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價(jià)值。

鋁合金密度低、比強(qiáng)度高、可焊接、耐腐蝕性好、無低溫脆性、無磁性，是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的材料之一，5083鋁合金是常用的鋁合金之一。5083鋁合金是Al-Mg合金，其塑性、耐腐蝕性和焊接性能較好，屬于非熱處理強(qiáng)化鋁合金，利用加工硬化和微合金化來提高其綜合性能。由于沒有低溫冷脆的問題，5083 鋁合金在低溫條件下仍保持優(yōu)異的力學(xué)性能。5083鋁合金的熱膨脹系數(shù)是23.4×10^-6/k，而低碳鋼的熱膨脹系數(shù)是(10.6-12.2)×10^-6/k，5083鋁合金的線膨脹系數(shù)約是低碳鋼的兩倍，因此焊接變形的問題比較嚴(yán)重，尤其是薄板焊接時，而且焊接裂紋尤其是凝固裂紋的傾向較高。5083鋁合金是Al-Mg合金，其中Mg元素對合金的強(qiáng)度有重要作用。Al和Mg雖然熔點(diǎn)相差不大，但是Mg的沸點(diǎn)1107℃，而Al的沸點(diǎn)是2327℃，因此焊接時焊縫中的Mg元素更易燒損，導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度降低，出現(xiàn)接頭軟化的現(xiàn)象。鋁合金的成本相對較低，雖然鋁合金的比強(qiáng)度高但是絕對強(qiáng)度與鋼材、鈦合金相比相差較大。

鈦具有比強(qiáng)度高、密度低、耐高溫、韌性好、導(dǎo)熱性能好和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而鈦合金則因?yàn)榫C合性能更優(yōu)而得到了更為廣泛的應(yīng)用。鈦合金可在600℃以上的溫度工作，與鋼、鎳合金、鋁合金相比，鈦合金的比強(qiáng)度更高。鈦在航空航天、國防、核能、船舶、電子、石油、化工等工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。但是鈦合金的成本很高，而且鈦合金加工成型較困難。

航空發(fā)動機(jī)、汽車和飛機(jī)等結(jié)構(gòu)對“減輕質(zhì)量、提高推重比、增加有效載荷”的要求越來越高，輕量化成為航空航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，鋁合金與鈦合金焊接從而制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的需求愈加迫切。鋁合金/鈦合金異種金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)有著廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值，這對異種材料尤其是大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異種材料連接技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

由于鋁合金與鈦合金的熱物理性能、化學(xué)性能差異巨大，尤其是鋁與鈦連接時極易產(chǎn)生大量脆性金屬間化合物，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能明顯降低，因此二者的焊接十分困難，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）鋁和鈦都屬于活潑金屬，在空氣中容易發(fā)生氧化生成致密的TiO₂和Al₂O₃，導(dǎo)致焊縫夾渣等缺陷并降低接頭強(qiáng)度。此外鈦在高溫下的吸氫、氧和氮行為亦降低接頭性能；（2）鋁和鈦的熔點(diǎn)相差約1000℃，如果采用熔化焊方法進(jìn)行二者的連接，當(dāng)溫度達(dá)到鈦的熔點(diǎn)時，鋁及鋁合金的元素會大量燒損蒸發(fā)；（3）鋁和鈦的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率相差很大，鈦的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率分別約為鋁的1/3和1/16；（4）鋁和鈦的晶格類型、晶格參數(shù)、原子半徑等差異較大，導(dǎo)致二者之間的固溶度很低，極易發(fā)生反應(yīng)形成硬而脆的金屬間化合物，在焊接應(yīng)力的作用下容易導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生，降低焊接接頭的力學(xué)性能。常見的電弧焊方法用于鋁合金與鈦合金的連接十分困難。

發(fā)明內(nèi)容