含Sc Ce Be的TiB2原位增强焊丝对SiCp Al复合材料TIG焊性能影响的学习体会

文献概况与复合材料焊接挑战

高增等作者在《稀有金属材料与工程》2020年第10期发表的这篇论文，研究了含Sc、Ce、Be的TiB₂原位增强焊丝与ER4047焊丝对T6态SiCp/AlMMCs（SiC颗粒增强6061Al金属基复合材料）的TIG焊接性能。金属基复合材料（MMCs）因其优异的比强度、比模量、热膨胀系数低和耐磨性好等特点，在航空航天、汽车和国防领域具有重要的应用前景。然而，MMCs的焊接性一直是一个难题，主要挑战包括：

• SiC颗粒与铝基体反应生成脆性Al₄C₃相，降低接头性能。
• 焊缝区域SiC颗粒贫瘠，导致力学性能下降。
• 热影响区过时效，硬度降低。
• 焊缝组织粗大，晶粒尺寸不均匀。

该研究通过开发新型原位增强焊丝，试图从焊丝设计角度解决上述问题，具有重要的工程应用价值。

焊丝设计与合金化原理

TiB₂原位增强焊丝

TiB₂是一种高熔点（3225°C）、高硬度（HV 4000）的陶瓷相，具有优异的热稳定性和化学稳定性。在焊丝中引入TiB₂粒子，可以在焊接过程中实现以下效果：

• 原位增强：TiB₂粒子在焊缝中均匀分布，作为第二相增强体，提高焊缝的强度和硬度。
• 晶粒细化：TiB₂粒子作为异质形核核心，促进焊缝晶粒细化。
• 改善颗粒分布：TiB₂粒子的存在可能影响SiC颗粒在焊缝中的分布，减少贫瘠区。

Sc、Ce、Be稀土元素的协同作用

该焊丝中还添加了Sc、Ce、Be三种稀土元素，它们各自发挥着独特的作用：

三种稀土元素的协同作用，使得焊缝晶粒显著细化，组织均匀性提高。

接头性能分析

显微组织特征

该研究通过金相分析发现，两种焊丝的焊缝均呈现枝晶组织，但存在显著差异：

• ER4047接头：焊缝枝晶粗大，晶粒尺寸不均匀，存在明显的柱状晶。
• TiB₂接头：焊缝晶粒细小，组织均匀，柱状晶倾向明显减弱。

这一差异直接归因于TiB₂粒子和稀土元素的晶粒细化作用。细小的晶粒不仅能够提高焊缝的强度和韧性，还能够减少偏析和裂纹倾向。

第二相粒子分布

焊缝中SiC颗粒的分布是MMCs焊接的关键问题之一。该研究发现：

• 两种焊丝的焊缝中SiC颗粒均较少，存在严重的贫瘠区。
• 未发现明显的Al₄C₃脆性相，说明SiC与Al的反应得到了有效抑制。
• TiB₂接头中TiB₂粒子分布均匀，而ER4047接头中无TiB₂粒子。

SiC颗粒贫瘠区的存在是MMCs焊接的固有难题，因为SiC颗粒的密度（3.22 g/cm³）与铝基体（2.70 g/cm³）不同，在熔池中容易发生上浮或沉降。TiB₂粒子的存在是否有助于改善SiC颗粒的分布，是一个值得进一步研究的问题。

力学性能对比

TiB₂接头的抗拉强度比ER4047接头提高了40.03%，这是一个非常显著的提升。这一提升主要归因于以下因素：

• TiB₂粒子的原位增强作用。
• 晶粒细化带来的强度提升（Hall-Petch关系）。
• 稀土元素的固溶强化和弥散强化。
• 气孔减少带来的有效承载面积增加。

断口分析

断口形貌分析揭示了两种接头不同的断裂机制：

• TiB₂接头：韧-脆性混合断裂，韧窝中第二相粒子较多，气孔较少。这表明TiB₂粒子在断裂过程中起到了阻碍裂纹扩展的作用，但部分TiB₂粒子也可能成为裂纹萌生源。
• ER4047接头：韧性断裂，韧窝中第二相粒子较少，气孔较多。气孔的存在降低了有效承载面积，导致强度下降。

工程实践中的考量

焊丝选择的决策因素

在实际工程中，选择TiB₂原位增强焊丝还是ER4047焊丝，需要综合考虑以下因素：

• 成本：TiB₂焊丝含有稀土元素和TiB₂粒子，成本显著高于ER4047焊丝。
• 性能要求：如果对接头的强度要求较高，TiB₂焊丝是更好的选择。
• 工艺适应性：TiB₂焊丝的送丝性能、电弧稳定性等需要验证。
• 批量生产可行性：TiB₂焊丝的制备工艺是否成熟，能否满足批量生产需求。

焊接工艺优化

对于SiCp/AlMMCs的TIG焊，除了焊丝选择外，焊接工艺参数也需要优化：

• 电流：适当降低电流，减少热输入，抑制SiC与Al的反应。
• 焊速：适当提高焊速，缩短高温停留时间。
• 保护气体：使用高纯度氩气，减少氧化和气孔。
• 预热：避免预热，减少热影响区过时效。
• 焊后处理：考虑焊后热处理（如T6处理）来恢复热影响区性能。

与替代焊接方法的对比

除了TIG焊，SiCp/AlMMCs还可以采用其他焊接方法：

搅拌摩擦焊（FSW）被认为是MMCs焊接的最有前景的方法，因为它避免了熔化过程，从根本上消除了SiC与Al反应生成Al₄C₃的风险。然而，FSW设备成本高，接头形状受限，且对于厚板焊接存在挑战。

关键疑问与思考

• TiB₂粒子的长期稳定性：TiB₂粒子在长期高温服役条件下是否会与铝基体发生反应？其热稳定性和化学稳定性在服役温度范围内是否可靠？
• SiC贫瘠区的改善：TiB₂焊丝是否能够有效改善焊缝中SiC颗粒的贫瘠区问题？如果贫瘠区仍然存在，焊缝的局部力学性能是否会成为薄弱环节？
• 热影响区过时效的解决：两种焊丝的热影响区均存在明显的过时效现象，硬度显著降低。是否有方法可以缓解或消除这一问题？焊后热处理是否可行？
• TiB₂焊丝的工业化前景：含稀土元素的TiB₂焊丝的制备工艺是否成熟？成本是否可控？能否满足批量生产需求？
• 与其他增强体的对比：除了TiB₂，还有哪些增强体可以用于原位增强焊丝？如TiC、TiN、Al₂O₃、SiC等。不同增强体的效果如何？

学习心得与总结

这篇文献展示了通过焊丝合金化设计来改善金属基复合材料焊接性能的有效途径。含Sc、Ce、Be的TiB₂原位增强焊丝通过晶粒细化和原位增强双重机制，显著提高了SiCp/AlMMCs接头的抗拉强度（提升40.03%）和硬度（提升19.3%），同时减少了气孔缺陷。这一研究结果表明，焊丝设计是改善MMCs焊接性能的关键因素之一，与焊接工艺参数优化同等重要。然而，SiC贫瘠区和热影响区过时效等问题仍然存在，需要在后续研究中进一步解决。对于从事MMCs焊接的工程技术人员而言，该研究提供了一个重要的技术方向：从焊丝设计入手，通过合金化和原位增强来改善接头性能，同时结合工艺参数优化和焊后处理，实现MMCs的高质量焊接。