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铝锂合金超声增强搅拌摩擦焊空位诱导沉淀相析出机制及接头性能调控

批准号:
52105422
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
胡琰莹
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡琰莹

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
航天结构材料铝锂合金在搅拌摩擦焊时,存在溶解沉淀相难以再析出的固有不足,导致接头发生软化,力学性能降低。现有的增加焊接热输入或焊后热处理等促进沉淀相析出的方法,存在热软化效应显著、效率低、难以应用于大型结构件等技术局限。为此,本项目提出采用超声增强搅拌摩擦焊提高焊缝空位浓度、诱导沉淀相快速析出的新途径,突破现有方法的技术瓶颈,一步实现铝锂合金接头的组织优化和性能提升,获得优质高强的铝锂合金接头。为深入揭示这一新途径的微观机制及其对接头性能的调控机理,本项目采用试验表征与第一性原理计算相结合的方法,研究超声作用下沉淀相的演变特征,阐明空位对溶质原子跃迁能垒和沉淀相界面应变能的影响,揭示空位诱导沉淀相析出机制;研究超声与焊接热循环协同作用对沉淀相界面结构的调控规律,通过控制沉淀相的析出行为实现对铝锂合金接头性能的优化调控。研究成果为铝锂合金大型结构件的高质量焊接提供理论依据。
英文摘要
For the friction stir welding of Al-Li alloy employed in the aerospace industry, an inherent technical problem, namely joint softening and its resultant reduction of mechanical properties, is urgent to be overcome. The present approaches, such as increasing the heat input and using post-weld heat treatment, have prominent disadvantages involving serious heat softening phenomenon, low production efficiency, and application difficulty in large components. This project proposes an innovative approach to improve the mechanical properties of the Al-Li alloy joint, i.e., increasing the vacancy concentration in the weld by ultrasonic enhanced friction stir welding to induce the rapid precipitation of solid solute alloying elements. This single-step welding technology can break through the bottleneck that confines the improvement of joint performance, and efficiently achieve the optimized microstructure with excellent properties. Experimental analyses and first-principles calculations are both employed in this project. The precipitate evolution with the effect of the ultrasonic is investigated. The mechanism for the vacancy-induced precipitation in ultrasonic enhanced friction stir welding is revealed by investigating the effect of vacancies on the energy barrier for atomic migration and interface strain energy of precipitates. Besides, with the effect of the ultrasonic, the control principles of the thermal cycle on the precipitate interface structure evolution are systematically discussed and revealed, guiding the further improvement of Al-Li alloy joint mechanical properties. The results in this project provide the theoretical basis for the high-quality welding of the Al-Li alloy large components.
铝锂合金具有较高的比强度和比刚度,是燃料贮箱用理想的轻质高强结构材料。然而,在搅拌摩擦焊接(FSW)热循环作用下,T1(Al2CuLi)、θ'(Al2Cu)和δ'(Al3Li)等沉淀相向基体溶解后来不及再析出是导致接头软化、力学性能降低的根本原因。现有的增加焊接热输入或焊后热处理等促进沉淀相析出的方法,存在热软化效应显著、效率低、难以应用于大型结构件等技术局限,因此继续探索新的方法。为解决上述问题,本项目提出空位诱导强化相析出新思路,即通过在FSW过程中施加超声,增加焊缝中的空位浓度,从而诱导强化相快速析出。通过对比相同工艺参数下的常规FSW接头和超声FSW接头,发现有超声作用时,焊核区再析出的沉淀相数量显著增多,而且T1可在θ'相基础上借助模板导向机制直接形核,如此缩短了形核时间;此外,高浓度空位在促进Cu、Li等原子扩散的同时,有自发迁移至相界面的趋势,以降低界面应变能促进强化相形核。本项目在对接头宏观和微观组织研究过程中,发现超声的施加并不总是有助于接头成形,对于铝锂合金薄板而言,当焊接热输入较高时,声致塑性使得焊缝金属流动性整体增强,如此降低了板厚方向的流变差,导致原始对接界面难以被完全消除,从而残留下来形成S线或根部未焊合缺陷,由此可以看出超声对FSW的作用效果既取决于焊接参数,又受制于金属本身物性参数的影响。如何揭示“超声参数—材料物性—超声效果”之间的内在关系,使超声有的放矢地优化接头组织,可能是未来值得探讨的课题。
FeCrAl合金搅拌摩擦焊接头力学性能及失效机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    胡琰莹
  • 依托单位:
国内基金
海外基金