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铝钛异种合金激光深熔钎焊新工艺：原理、特性与应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业的众多领域，如航空航天、汽车制造、船舶工业等，对材料性能的要求日益严苛。单一金属材料往往难以满足这些复杂需求，而异种金属连接技术的发展为解决这一问题提供了有效途径。铝钛异种合金连接由于能够综合铝合金密度低、成本低、导电性好和钛合金强度高、耐腐蚀性强、高温性能优异等优点，在轻量化、高性能结构设计中展现出巨大的应用潜力。

在航空航天领域，飞行器的轻量化设计至关重要，直接关系到其燃油效率、航程、载荷能力等关键性能指标。铝钛异种合金复合结构的应用可以在保证结构强度和可靠性的前提下，显著减轻飞行器的重量，从而提高飞行性能、降低运营成本。例如，飞机的机翼、机身结构、发动机部件等若采用铝钛异种合金连接制造，不仅能有效减轻整体重量，还能提升结构的耐腐蚀性和高温性能，适应航空航天领域对材料极端性能的要求。在卫星制造中，铝钛异种合金连接技术也可用于制造卫星的结构框架、散热系统等部件，有助于提高卫星的使用寿命和工作可靠性。

在汽车制造行业，随着环保和节能要求的不断提高，汽车轻量化成为重要发展趋势。铝钛异种合金连接技术能够使汽车零部件在保持高强度的同时减轻重量，从而降低汽车的燃油消耗和尾气排放。如汽车的发动机缸体、底盘部件、车身结构件等，采用铝钛异种合金连接制造，可在提升汽车性能的同时实现节能减排目标。

在船舶工业中，海洋环境的复杂性对船舶材料的耐腐蚀性提出了极高要求。铝钛异种合金连接结构可以应用于船舶的外壳、甲板、内部结构等部位，利用钛合金的优异耐腐蚀性和铝合金的良好加工性能，提高船舶的使用寿命和安全性，降低维护成本。

然而，铝钛异种金属的焊接面临诸多挑战。由于铝和钛的物理化学性质差异显著，如熔点相差约800℃，铝的熔点约为660℃，钛的熔点约为1668℃；热导率和线膨胀系数也有较大差异，铝的热导率约为237W/(m?K)，线膨胀系数约为23.6×10??/℃，而钛的热导率约为21.9W/(m?K)，线膨胀系数约为8.6×10??/℃。在焊接过程中，这些差异容易导致焊缝成形不良、热应力集中、产生裂纹等缺陷。此外，铝和钛在高温下极易与氧、氮等气体发生反应，形成氧化物和氮化物，影响焊接接头的质量。而且，铝钛之间还会形成多种硬脆的金属间化合物，如TiAl、TiAl?、Ti?Al等，这些金属间化合物的存在会显著降低焊接接头的塑性和韧性，使接头的力学性能恶化，严重影响铝钛异种合金连接结构的可靠性和使用寿命。

激光深熔钎焊作为一种新兴的焊接技术，结合了激光深熔焊和钎焊的优点，为铝钛异种合金的焊接提供了新的解决方案。与传统焊接方法相比，激光深熔钎焊具有能量密度高、加热速度快、热影响区小、焊接变形小等优势。在铝钛异种合金焊接中，激光深熔钎焊能够精确控制热输入，减少钛合金的熔化量，降低金属间化合物的生成，从而提高焊接接头的质量和性能。通过对激光深熔钎焊工艺参数的优化，如激光功率、焊接速度、离焦量等，可以实现铝钛异种合金的高质量连接，为其在航空航天、汽车制造、船舶工业等领域的广泛应用奠定基础。深入研究铝钛异种合金激光深熔钎焊新工艺具有重要的理论意义和实际应用价值，有助于推动异种金属连接技术的发展，满足现代工业对高性能材料连接的需求。

1.2国内外研究现状

铝钛异种合金的焊接研究一直是材料连接领域的重要课题，国内外学者针对其焊接难点开展了广泛而深入的研究，涵盖了多种焊接方法和工艺。

在钎焊方面，国内外研究主要聚焦于钎料成分优化和钎焊工艺参数调整。康慧等人以Al-11.5Si合金为基，通过添加不同含量的Sn和Ga元素配置成9种钎料对LF21铝合金和TC4钛合金进行真空钎焊，发现钎料中加入Sn和Ga元素可有效抑制脆性相的形成、改善接头性能，当Sn和Ga元素含量分别为10%和0.2%时接头的剪切强度达到67MPa。曲文卿等采用高频感应钎焊进行钛合金管与铝合金管的连接，利用加热时间短的特点，使脆性相来不及产生，获得了力学性能和密封性能较好的接头。然而，钎焊存在接头强度相对较低的问题，难以满足一些对强度要求较高的应用场景。

扩散焊也是研究的重点方向之一。Yao等研究了铝/钛扩散焊接头形成机理和焊接工艺对LF6铝合金/TA2纯钛异种材料扩散焊接头强度的影响规律，接头最高剪切强度为83MPa。Sohn等采用Al-10Si-1Mg箔片作为中间层，对纯钛和纯铝进行液相扩散连接，发现接头中存在Ti7Al5Si12连续金属间化合物反应层和不连续的Al12Si3Ti5金属间化合物，并认为Si元素可抑制界面反应、减少金属间化合物，接头剪切强度最高为80MPa。虽然扩散焊能够在一定程度上克