摘要: 从减重和提高防护的角度出发，具有超高强度和轻量化特点的喷射成形7055铝合金在航空航天，铁路车辆和兵器等领域具有很好的应用前景，且已成功用于制造国产大飞机的机翼长桁和天宫二号压气机箱体等。但采用传统铝合金焊丝制备的喷射成形7055铝合金熔... 展开 从减重和提高防护的角度出发，具有超高强度和轻量化特点的喷射成形7055铝合金在航空航天，铁路车辆和兵器等领域具有很好的应用前景，且已成功用于制造国产大飞机的机翼长桁和天宫二号压气机箱体等。但采用传统铝合金焊丝制备的喷射成形7055铝合金熔化焊接头强度低且脆性大，使得熔化焊接头强度低和脆性大的问题成为制约其应用的瓶颈。本课题研制了含有纳米陶瓷颗粒的7055铝合金焊丝，分别为TiB2-7055、ZrB2-7055和Sc+ZrB2-7055，使用以上焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊接，获得了兼具高强度和良好塑韧性的TIG接头。通过XRD、SEM、TEM和拉伸试验机等手段探讨了不同种类的陶瓷颗粒对焊缝微结构和力学性能的影响。研究结果如下： （1）采用原位生成法制备了TiB2-7055、ZrB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊丝，研究了不同陶瓷颗粒在焊丝基体上的分布情况及其对基体晶粒形态的影响。研究结果表明：(a)TiB2-7055焊丝为细小等轴晶，TiB2颗粒在α-Al基体上整体分布均匀。(b)ZrB2-7055焊丝为细小树枝晶，ZrB2颗粒在α-Al基体上团聚面积较大。(c)Sc+ZrB2-7055焊丝为细小等轴晶，ZrB2、Al3(Sc,Zr)和Al3Sc颗粒以团絮的形式在α-Al基体上整体分布均匀。 （2）分别使用母材、TiB2-7055和ZrB2-7055焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊接，对比了TiB2和ZrB2颗粒在焊缝基体上的分布情况，及其分别对焊态的焊接接头微结构和力学性能的影响。研究结果表明：(a)采用母材作为焊丝制备的7055焊缝晶粒粗大，焊接接头的抗拉强度和延伸率分别为245MPa和1.5%。(b)与铝熔液具有良好润湿性的TiB2颗粒在焊缝基体上均匀分布，且随着TiB2颗粒含量的增加，TiB2-7055焊缝晶粒逐渐变为细小等轴晶，焊接接头的抗拉强度和延伸率均先升高后降低，1.5wt%TiB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率分别达到最大值，约为310MPa和5.4%，表现为韧性断裂，拉伸试样断裂在热影响区。(c)与铝熔液润湿性差的ZrB2颗粒在焊缝基体上大面积团聚，分布极不均匀，且随着ZrB2颗粒含量的增加，ZrB2-7055焊缝逐渐变为细小树枝晶，ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率均先升高后降低，1.5wt%ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率达到最大值，约为280MPa和2.0%，拉伸试样断裂在焊缝区。提出了陶瓷颗粒与铝液之间良好的润湿性是其在焊缝基体上均匀分布的关键，揭示了陶瓷颗粒产生的细晶强化和弥散强化是焊接接头力学性能提升的主要原因。 （3）使用Sc+ZrB2-7055焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊接，研究了Al3(Sc,Zr)、Al3Sc和ZrB2颗粒对焊态的焊接接头微结构和力学性能的影响。研究结果表明：Al3(Sc,Zr)、Al3Sc和ZrB2颗粒混合在一起，以团絮的形式在α-Al基体上整体分布均匀。向焊缝中引入与铝液具有良好润湿性的Al3Sc和Al3(Sc,Zr)颗粒后，使得界面能较高的ZrB2颗粒更倾向于和界面能较低的Al3(Sc,Zr)和Al3Sc颗粒吸附在一起，阻碍了单一ZrB2颗粒在焊缝基体上的大面积团聚。Sc+ZrB2-7055焊缝晶粒为等轴晶，焊接接头的拉伸性能优于ZrB2-7055焊缝，其抗拉强度和延伸率分别约为320MPa和5.0%，表现为韧性断裂，断裂在热影响区。解决了与金属液润湿性差的陶瓷颗粒在焊缝基体上大面积团聚的问题。 （4）对7055，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头同时进行S1工艺热处理，分析了陶瓷颗粒对焊缝基体析出相的时效析出动力和焊接接头力学性能的影响。研究结果表明：7055，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊缝中的η′相尺寸依次减小，且弥散度增加，同时含有Al3(Sc,Zr)、Al3Sc和ZrB2颗粒的焊缝基体析出相的时效析出动力大于仅含有TiB2颗粒的焊缝。TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的拉伸性能均优于7055焊接接头，7055，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率分别约为540MPa和2.5%，573MPa和3.2%，554MPa和3.5%。分析认为基体析出相产生的沉淀强化、陶瓷颗粒产生的细晶强化和弥散强化综合提高了热处理后TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的力学性能。 （5）对TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头同时分别进行S2和S3工艺热处理，研究了二级时效时间对焊接接头微结构和力学性能的影响。研究结果表明：随着二级时效时间的延长，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度逐渐降低，因为亚稳态的η′相转变为稳态η相，并且η相粗化，η相与基体不共格，强化效果降低。延长二级时效时间不会对TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头延伸率的变化产生大的影响。 收起