钛/铝还能这么焊：塑性涡流驱动钛/铝异质界面高强度连接 导语： 钛合金与铝合金的异种连接在航空航天、交通运输等领域具有重要应用价值，但由于两种材料在物理性能和冶金反应方面存在显著差异，其可靠连接一直是材料加工领域的研究难题。东南大学先进焊接与增材制造团队在 《Journal of Materials Processing Technology》 发表的最新研究成果，提出 涡流搅拌摩擦搭接焊（VFSLW）技术 ，通过在界面原位形成 纳米尺度非晶层 ，实现了高质量钛/铝异种金属连接。该研究为 界面组织调控 和 高强度异种金属连接 提供了新的技术路径。 钛/铝异种连接的技术挑战 随着制造业向高端化和轻量化方向发展，异种金属结构 在工程领域的应用需求不断增加。其中，钛合金具有高强度和优异耐腐蚀性，而铝合金具有低密度和良好加工性能，两者组合形成的钛/铝复合结构 在航空航天、交通运输和国防装备等领域具有广阔应用前景。然而，钛与铝在晶体结构、熔点和热物理性能方面存在显著差异，传统熔焊过程中极易在界面形成多种脆性金属间化合物（IMCs） 。这些脆性相会严重降低接头强度，使焊缝易发生脆性断裂。此外，两种材料在热导率和热膨胀系数方面的差异还会在焊接过程中产生较大的残余应力，进一步增加裂纹产生的风险。 在固相焊接方法中，搅拌摩擦搭接焊（FSLW）能够有效避免材料熔化，但在钛/铝连接中仍面临两方面问题： 一方面，搅拌针插入钛板时易产生严重的搅拌头磨损并产生钩状缺陷；另一方面，若避免接触钛板，则工艺窗口较窄，对焊接参数和搅拌头位置精度要求较高。此外，界面金属间化合物的形成仍然难以控制。因此，开发能够减少搅拌头磨损并调控界面结构 的新型连接技术具有重要意义。 涡流搅拌摩擦焊技术 针对上述问题，本研究采用塑性 涡流驱动搅拌摩擦搭接焊（VFSLW）技术 。该方法利用搅拌棒与材料之间的摩擦作用在搅拌针底部诱导形成塑性涡流，从而驱动材料流动并实现异质界面连接（图1）。实验中选用3 mm厚5083铝合金板和1.4 mm厚Ti-6Al-4V钛合金板 进行搭接焊接，并设计了不同长度的搅拌针以研究其对焊接质量的影响。与传统搅拌摩擦焊不同，该工艺通过塑性涡流驱动材料流动 ，在保证充分塑性变形的同时有效降低了刀具磨损。实验结果表明，焊接过程中搅拌针磨损极小，表明焊接工具具有良好的重复使用性能。 主要研究结果 通过力学性能测试与微观结构分析，研究团队揭示了钛/铝界面结合机理，并获得了一系列重要结果： 1. 高强度钛/铝连接 在转速100 rpm、焊接速度15 mm/min、搅拌针长度2.2 mm的条件下获得最佳接头，其最大拉剪载荷达到8.71 kN（484 N/mm） ，表现出优异的力学性能。 2. 焊接过程中的组织演化 由于搅拌针未进入下层钛板，钛合金几乎没有明显塑性变形；而铝合金在搅拌区经历动态再结晶 ，形成细小等轴晶粒。值得注意的是，涡流搅拌区（VSZ，Vortex Stir Zone）中的应变速率低于传统的搅拌针搅拌区（PSZ，Pin Stir Zone）。较低的应变速率（应变并不低）使动态再结晶过程更加充分，从而形成晶粒尺寸相对更大的再结晶晶粒，这一结果与接头显微硬度分布规律保持一致。 3. 优化的界面组织结构 在较低转速条件下，钛/铝界面未形成明显的金属间化合物层，而是在界面处形成纳米尺度非晶层 。该非晶层主要表现为两种形态：多层非晶界面 （厚度约10–25 nm），其中分布少量Ti₃Al纳米晶；单层非晶界面 （厚度< 10 nm）。与IMCs界面层相比，这种纳米尺度非晶结构有助于缓解界面应力集中，并提高界面的冶金结合质量。 4. 非晶界面形成机理 研究发现，弱材料流动、较高锻压力和低热输入 是形成非晶界面的关键工艺条件。在这种情况下，Ti与Al发生初始扩散，但由于热输入较低，不足以驱动原子排列长程有序，从而形成了非晶结构。VFSLW技术通过塑性涡流驱动材料流动，在保证界面结合的同时有效抑制晶态金属间化合物的生成，实现了高强度钛/铝连接。 结语 本研究提出的涡流搅拌摩擦搭接焊技术 能够实现高质量钛/铝异种金属连接。该工艺通过塑性涡流驱动材料流动，在避免传统搅拌摩擦焊搅拌头磨损和界面缺陷的同时，驱动界面原子扩散形成纳米尺度非晶层 ，在优化工艺参数条件下，接头最大线载荷达到484 N/mm ，展现出优异的力学性能。该技术不仅为钛/铝界面调控 提供了新的理论依据，也为其他性能差异较大的异种金属连接 提供了有效解决方案，在航空航天及轻量化结构制造领域具有重要应用潜力。 论文第一 作者为东南大学机械工程学院2025级硕士研究生李晓博 ，通讯作者为东南大学机械工程学院副教授、博士生导师刘小超 。Journal of Materials Processing Technolo gy是 材料加工与制造工程领域的国际权威期刊 ，1990年创刊，Els evier出版，2025年晋升为中科院工程技术大类1区TOP期刊，影响因子7.5。
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首次发布时间：2026-04-14
最近编辑：6月前
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