ZL101铝基复合材料激光焊接过程中TiB2颗粒演变及小孔稳定性研究
Research on the Evolution of TiB2Particles and Keyhole Stability in Laser Welding on ZL101Aluminum Matrix Composite
随着工业技术的发展,铝基复合材料广泛地应用于航空、航天、汽车等行业.颗粒增强铝基复合材料由于其低密度、高强度、高比模量及良好的耐磨性能成为一种很有潜力的材料.颗粒增强铝基复合材料焊接性及焊接过程颗粒的稳定性等问题的解决会加速其在上述领域的推广应用.关于TiB2颗粒增强铝基复合材料在激光深熔焊接过程中TiB2粒子演变的相关研究较少,特别是粒子对激光深熔焊接过程中小孔稳定性的研究涉及更少.本文开展了TiB2增强铝基复合材料的激光深熔焊接研究,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,探讨颗粒增强铝基复合材料TiB2/ZL101激光深熔焊接过程中TiB2粒子的演变及TiB2粒子对小孔稳定性的影响,揭示在激光焊接过程中TiB2粒子与铝合金基体之间的相互作用行为,研究TiB2粒子在焊缝中的分布特征,探讨TiB2粒子对静态激光深熔焊接和动态激光深熔焊接过程中小孔稳定性的影响等,为理解TiB2增强铝基复合材料的激光深熔焊接的复杂现象提供试验及理论支持.论文采用大功率激光器研究了激光焊接TiB2/ZL101颗粒增强铝基复合材料时TiB2粒子的演变行为.采用XRD、SEM及EDS观察并分析了焊缝内粒子的物相、热力学过程及形貌特征,发现当TiB2团簇体积分数足够大时,焊缝中心的TiB2粒子会熔化并聚在一起,且较大尺寸的TiB2粒子会发生断裂;当温度足够高的TiB2粒子被熔融的Al液体包围的时候,会发生界面反应,从而生成AlB12和Al3Ti,进而减弱了TiB2粒子的增强效果.由于激光束的能量一般具有高斯分布特征,这使得焊缝中心的界面反应程度比焊缝边缘的界面反应程度更激烈.本文基于流体动力学、热力学理论,结合有限差分方法和VOF方法,建立了颗粒增强铝基复合材料激光深熔焊接的数学模型.特别考虑了熔池中的第二相粒子与金属流体之间的耦合作用,结合适当的边界条件,对物理方程的近似与求解给出了比较详细的论述.本文以颗粒增强铝基复合材料TiB2/ZL101为实验材料,分别计算得出了静态激光深熔焊接与动态激光深熔焊接时熔池的流动形态、小孔形貌、温度场和速度场分布,分析了两种激光深熔焊接情况下的小孔成形过程和小孔稳定性,通过改变铝基复合材料TiB2粒子体积分数来研究粒子对小孔稳定性的影响,发现在激光深熔焊接过程中,小孔会出现不稳定现象,小孔的不稳定与小孔壁上形成的凸起有密切关系.而且随着TiB2粒子体积分数的增加,小孔有变得不稳定的趋势,并且小孔壁上振荡出现的时间会提前,振荡的频率和幅度都增大.
- 作者：
- 孟超
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 芦凤桂
- 中图分类号：
- TG456.7；TB333
- 关键词：
- 铝基复合材料；激光深熔焊；颗粒演变；数值模拟；小孔稳定性
- Aluminum MMCs；Laser deep penetration welding；Particlesevolution；Numerical simulation；Keyhole stability
- 基金项目：
- 上海市自然科学