МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, СВАРЕННЫХ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ

АННОТАЦИЯ

В настоящее время ведется большое количество исследований легких, формуемких материалов, таких как алюминиевые сплавы и алюминиевые матричные композиты (АМК), они выгодны в разных областях производства, таких как автомобилестроение, строительные конструкции, электроника и аэрокосмическая промышленность, что сопряжено с некоторыми возникающими дефектами [1]. В настоящее время существует множество армирующих фаз для АМК, чаще всего TiC, ZrB₂, нанотрубки и т. д. [1, 2]. Также, существует много исследований по сварке АМК, усиленных SiC, Al₂O₃ и B₄C, но мало информации об импульсной лазерной сварке АМК, армированных TiB2 [3]. Согласно исследованию лазерной сварки постоянной мощности АМК, армированного TiB₂, установлено, что частицы TiB₂ оказывают большое влияние на текучесть ванны расплавленного металла, и существует определенная тенденция в реакции на границе раздела между частицами TiB₂ и матричного металла [4, 5].

Кристаллическая структура металла шва определяет его механические свойства. При сварке алюминиевых сплавов кристаллическая структура и механические свойства металла швов изменяются в зависимости от состава сплава, способов и режимов сварки. Высокая отражательная способность и высокая теплопроводность поверхностей из алюминиевого сплава объясняется его микроструктурой. Благодаря присутствию свободных электронов высокой плотности в сплаве, свободные электроны вынуждены вибрировать лазером (сильные электромагнитные волны), для генерации вторичных электромагнитных волн, что приводит к сильным отраженным волнам и более слабым проходящим волнам, поэтому поверхность из алюминиевого сплава имеет высокую отражательную способность и небольшую скорость адсорбции для лазера. В то же время броуновское движение свободных электронов становится более сильным при стимуляции, поэтому алюминиевый сплав обладает также высокой теплопроводностью. Это исследование предназначено для изучения микроструктуры разнородных соединений Al / AMК с частицами TiB₂, сваренных лазерной сваркой Nd-YAG.

Эксперимент. АМК были получены с использованием аутогенного метода. В ходе реакции соли K₂TiF₆ и KBF₄ добавляли в надлежащих соотношениях Ti:B к расплавленной жидкости алюминиевого сплава ZL101 при 850 °C, перемешивали в течение 30 минут с регулярными интервалами и отливали в литейную форму при 750 °С.  Размер образцов для испытаний 100 мм × 50 мм × 1 мм, с чистотой частиц TiB2 99,9%.

Использовался Nd-YAG-импульсный лазерный источник (WF-300). Перед сваркой оксидная пленка на поверхности образца была удалена, а затем очищена с помощью ацетона. После сварки металлургический образец подготавливали и травили раствором фтороводорода. Микроструктуры наблюдали с использованием оптического микроскопа Olympus GX51 и сканирующей электронной микроскопии Zeiss EVO 18.

Результаты. Микроструктура сварочных соединений показана на рисунке 1. Из рисунка 1(а) видно, что соединение разнородного металла хорошее, отсутствует явный дефект в шве. Микроструктура зоны слияния показана на рисунке 1(б). Многие равноосные зерна находятся в зоне слияния. Карта элемента представлена на рисунке 2. Видно, что элемент Al является основным элементом в сварочном соединении. Элементы Ti и Si в основном распределены вдоль границы зерна. Содержание элемента Ti на границе зерен примерно в 2 раза больше, чем в кристалле. Si в основном распределяется на границе зерен и содержится примерно в три раза больше, чем в кристалле.

Рисунок 1. Микроструктура сварочных соединений

Рисунок 2. Карта элемента

В формуле реакции (2) можно наблюдать, что некоторые частицы TiB₂ облучаются лазерным излучением и окислением, атомы Ti и B реагируют с O, а ковалентная связь Ti-B разрывается и высвобождается. Они сопровождаются реакцией с жидким Al с образованием AlB₁₂ и Al₂Ti с более высокой температурой, как показано в реакциях (3) и (4):

TiB₂(s) + 5/2O₂(g) = TiO₂(s) + B₂O₃(g)                                                                                                (2)

Al + 12[B] = AlB₁₂                                                                                                               (3)

2Al + [Ti] = Al₂Ti                                                                                                                 (4)

Чтобы оценить стабильность осажденных фаз, крайне важно иметь надежный расчет для свободной энергии Гиббса ΔG формул реакции (2) - (4). В этих реакциях ΔG является не только функцией температуры, но также зависит от концентрации реагентов и остаточных продуктов. Активность TiO₂, B₂O₃, AlB₁₂ и Al₂Ti в расплавленном Al составляет приблизительно 1, поэтому свободная энергия Гиббса ΔG приблизительно равна стандартной свободной энергии образования Гиббса для разных веществ.

Последствия могут теоретически объяснить, что частицы TiB₂ реагируют с O₂, присутствующим в воздухе, или растворяются в расплавленной ванне с образованием TiO₂ и B₂O₃. Результаты также могут иллюстрировать, что TiB₂ будет реагировать с Al-матрицей с образованием AlB₁₂ и Al₂Ti, когда он повторно будет окружен расплавленным Al. Поскольку максимальная температура расплавленной ванны ниже точки кипения Al (2740 К), то есть менее 3000 К, отрицательная свободная энергия Гиббса способствует реакции расплавленного TiB₂ с атомами Al и O. Результаты рентгеновской дифракции сварочного луча представлены на рисунке 3. Можно предположить, что присутствуют в основном Al, Al₂Ti, Fe₂Si и Al_0,5Fe₃Si_0,5. В процессе сварки некоторые частицы TiB₂ разлагаются и реагируют с расплавленным Al.

Рисунок 3. Результат рентгеновской дифракции

Также, в процессе сварки образуются некоторые сложные продукты. Другие частицы TiB₂ зарождаются и затвердевают, а избыток TiB₂ выталкивается к границам зерна расплавленным Al.

В процессе затвердевания при сварке предлагается модель межфазного взаимодействия, объединяющая взаимную смачиваемость между твердой фазой и жидкой фазой / частицами. Для энергетических систем с высоким интерфейсом, таких как AMК, наиболее важной вещью в процессе сварки является изменение энергии интерфейса, чтобы стимулировать сочетание частиц и твердой фазы, а также сформировать равномерное распределение [6]. В этой статье энергия поверхности раздела каждой фазы в АМК модифицируется частицами TiB₂ и введением импульсного лазера в процессе сварки. Взаимодействие между частицами и поверхностью раздела жидкость / твердое вещество в определенной степени контролируется. Некоторые частицы хорошо смачиваются расплавленным металлом матрицы, и распределение частиц в металле матрицы улучшается.

Вывод. В микроструктуре в основном присутствуют Al, Al₂Ti, Fe₂Si и Al_0,5Fe₃Si_0,5. В процессе сварки некоторые частицы TiB₂ разлагаются и реагируют с расплавленным Al. Другие частицы TiB₂ зарождаются и затвердевают, а избыточные частицы TiB₂ выталкиваются к границам зерен расплавленным Al. Частицы TiB₂ хорошо смачиваются расплавленным Al.

Список литературы:

1. Q. Liu, L. Ke, F. Liu, C. Huang, and L. Xing, “Microstructure and mechanical property of multi-walled carbon nanotubes reinforced aluminum matrix composites fabricated by friction stir processing,” Materials & Design, vol. 45, pp. 343–348, 2013.
2. D. Jeyasimman, S. Sivasankaran, K. Sivaprasad, R. Narayanasamy, and R. S. Kambali, “An investigation of the synthesis, consolidation and mechanical behavior of Al 6061 nanocomposites reinforced by TiC via mechanical alloying,” Materials & Design, vol. 57, pp. 394–404, 2014.
3. T. M. Yue, J. H. Xu, and H. C. Man, “Pulsed Nd-YAG laser welding of A SiC particulate reinforced aluminium alloy composite,” Applied Composite Materials, vol. 4, no. 1, pp. 53–64, 1997.
4. J. Guo, P. Gougeon, and X.-G. Chen, “Study on laser weldingof AA1100-16vol.% B4C metal-matrix composites,” Composites Part B: Engineering, vol. 43, no. 5, pp. 2400–2408, 2012.
5. O. T. Midling and Ø. Grong, “A process model for friction welding of Al-Mg-Si alloys and Al-SiC metal matrix composites-I. Haz temperature and strain rate distribution,” Acta Metallurgica et Materialia, vol. 42, no. 5, pp. 1595–1609, 1994.
6. S. S. Wu, “Research advances on behavior of particles in front of solidification interface of MMCs,” Materials Review, vol. 12, pp. 1–5, 1998.