輕質金屬

鈦合金和鋁合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好等特點，在航空航天、交通運輸、車輛製造、化工領域等具有廣泛的應用。現代工程中複雜工況條件對工件的服役性能提出了更高的挑戰，促進了複合結構的發展和應用。由鈦合金和鋁合金構成的複合構件可最大限度發揮兩種材料的性能特點。

由於鈦合金和鋁合金在熱物理性能和力學性能上存在顯著的差異，造成了兩者在焊接過程當中容易出現氣孔、裂紋等諸多問題。其中由於冶金反應形成金屬間化合物是造成Ti/Al 異種材料接頭性能惡化的重要原因之一。高效的實現鈦合金和鋁合金的焊接，並獲得滿意的接頭性能，一直是異種材料焊接領域的關注熱點。

（1）相容性差。鈦和鋁的相互溶解度小。在665℃時鈦在鋁中的溶解度為0.26%-0.28%，溫度降為20℃時，鈦在鋁中的溶解度降至0.07%，使兩種金屬很難融合。鋁在鈦中的溶解度更小，使兩種金屬融合形成固溶體焊縫較為困難。

（2）氧化問題。鈦和鋁都極易氧化，阻礙界面的結合。鈦在600℃開始氧化形成TiO2，在焊縫及界面形成中間脆性層，鋁及鋁合金表面形成的緻密氧化膜Al2O3，阻礙了兩種金屬的結合，而且焊縫容易夾雜，增加焊縫的脆性。

（3）氣孔問題。氫在鈦中的溶解度很大，低溫時容易聚集形成氣孔使焊縫的塑性、韌性降低，產生脆裂。液態鋁可以溶解大量氫，但固態時幾乎不溶解，降低焊接接頭的質量。

（4）脆性相問題。鈦和鋁在1460℃時反應形成TiAl 型金屬間化合物； 1340℃時反應形成Ti3Al 型金屬間化合物。鈦與氮反應形成脆性的氮化物。鈦和碳反應形成碳化物，當含碳量大於0.28% 時，焊接性顯著變差。這些化合物的存在降低焊縫的塑性和強度。

（5）焊接變形問題。鈦和鋁的熱導率和線脹係數相差很大，造成焊接變形比較大。在焊接應力和脆性組織的共同作用下，容易產生裂紋。

鈦合金母材與焊核的界面不平整，而鋁合金母材與焊核的界面處平整光滑。焊核處形成了Ti-Al 系金屬間化合物，使接頭性能變差。以TIG 焊為輔助，進行了Al6061-T6 鋁合金和Ti6Al4V鈦合金的攪拌摩擦焊。焊接時TIG 焊熱源在攪拌頭前對鈦合金進行預熱。研究顯示，攪拌摩擦焊時易在界面底部形成未焊合，降低焊縫的強度。TIG 輔助攪拌摩擦焊有助於消除底部的未焊合，提高接頭強度。TIG 輔助攪拌摩擦焊接頭的強度可達300MPa，約為鋁合金母材的91%。鈦棒的最佳浸鋁溫度和時間分別是680℃和25min，擴散焊接最佳溫度為490℃、壓力10MPa、時間為20min。在此工藝條件下鈦/ 鋁接頭的抗拉強度可達180MPa。採用在鈦合金表面預先熱浸鋁的工藝，在640℃將鈦與鋁真空擴散焊，保溫時間為90 min。結果發現，鈦合金與浸鋁層一側的界面處有TiAl 和TiAl3 生成，在鋁合金一側的擴散過渡區只有鋁合金的固溶區，沒有發現化合物。整個鈦/ 鋁擴散接頭過渡區的顯微硬度在420-570HM 之間