Блог

May 01, 2023

Влияние адгезионного покрытия TiB2 на соединения, сваренные трением с перемешиванием

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17894 (2022) Цитировать эту статью

536 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Сварка трением с перемешиванием — это новый метод соединения черных и цветных металлов в твердом состоянии. Методы заполнения канавок наиболее популярны и обычно используются исследователями для легирования армирования в зоне FSWed для улучшения свойств соединений. Основным недостатком этого метода является то, что во время изготовления соединения из паза выходит небольшое количество армирующего материала. В настоящей работе метод армирования клеем был использован для решения этой проблемы при изготовлении сварного соединения трением с перемешиванием, армированного частицами. В настоящей работе края пластин из алюминиевого сплава были покрыты тонким слоем TiB2. Краевые пластины с покрытием и без покрытия были соединены с использованием сварки трением с перемешиванием при скорости вращения 1400 и 2240 об/мин и скорости сварки 32 мм/мин с использованием шпильки с конической резьбой. Предел прочности сварных соединений кромочных пластин с покрытием оказался самым высоким по сравнению с соединениями без покрытия, которые были выше на 39,74%. Процентное удлинение кромочного соединения с покрытием было примерно в 1,5 раза ниже, чем у кромочного соединения без покрытия. Прочность на изгиб кромочного соединения с покрытием, армированным TiB2, оказалась примерно в 1,5 раза выше. Однако ударная вязкость кромочной пластины с покрытием оказалась почти в три раза ниже, чем у кромочных соединений без покрытия. Кромочные соединения с покрытием TiB2 имеют твердость на 22,75% выше, чем соединения кромочных пластин без покрытия, сваренные при скорости вращения 2240.

Сварка трением с перемешиванием (FSW) — это процесс соединения в твердом состоянии, в котором используется неплавящийся инструмент для соединения двух обращенных друг к другу заготовок без плавления материала заготовки1,2,3. Тепло генерируется за счет трения между вращающимся инструментом и материалом заготовки, что приводит к образованию размягченной области рядом с инструментом FSW. Пока инструмент перемещается вдоль линии соединения, он механически смешивает два куска металла и кует горячий и размягченный металл под действием механического давления, оказываемого инструментом. Сообщалось, что 87% тепла выделяется заплечиком инструмента FSW из-за трения между поверхностью заплечика и заготовкой4. Геометрия плеч инструмента влияет на поток материала во время сварки. Большая часть плеч инструмента имеет вогнутые, выпуклые и плоские профили5,6,7,8,9,10,11,12. Горячедеформированную инструментальную сталь Н13 чаще всего применяют для сварки алюминиевых сплавов10,13. Угол наклона инструмента сжимает пластически деформированный материал под инструментом. Обычно при FSW используется угол наклона инструмента от 1° до 4°. FSW способен соединять подобные и разнородные металлы, такие как алюминиевые сплавы, медные сплавы, титановые сплавы, мягкую сталь, нержавеющую сталь и магниевые сплавы14,15,16,17,18. Даже если FSW представляет собой процесс сварки в твердом состоянии, он генерирует значительное тепловложение, что приводит к возможным изменениям в микроструктуре. Сообщалось о чрезмерном старении или затвердевании в зоне самородков (NZ), зоне термомеханического воздействия (TMAZ) или зоне термического влияния (HAZ) соединений FSWed19,20. На этих изменяющихся участках микроструктуры часто наблюдается потеря механических свойств, особенно в ТМАЗ и ЗТВ21,22,23,24. Мардализаде и др.25 сообщили, что соединения, изготовленные из AA2024, имеют меньшую твердость в HAZ и TMAZ. Несмотря на оптимизацию параметров сварки и параметров охлаждения во время сварки, механические характеристики соединений FSWed остаются ниже, чем у основных металлов из-за появления микроструктуры и механических свойств из-за сильных термомеханических давлений, обнаруженных в процессе FSW26. 27. Свойства соединения FSWed в основном зависят от параметров процесса, таких как скорость вращения инструмента, поперечная скорость, угол наклона инструмента и глубина погружения. Оптимальные значения параметров СТП зависят от свойств материала заготовки, толщины и геометрии инструмента28. Твердость области соединения увеличивается с увеличением угла наклона29. Elyasi et al.30 сообщили, что максимальная прочность соединений на растяжение наблюдалась при соединении алюминиевого сплава при угле наклона 2° по сравнению с углами наклона 1° и 3°. Об аналогичном наблюдении сообщили Acharya et al. 31. Сочетание скорости вращения инструмента и поперечной скорости при FSW является сложным, поскольку увеличение скорости вращения или уменьшение скорости перемещения приведет к более горячему сварному шву и наоборот32. Микроструктура и твердость соединений сильно зависят от скорости вращения по сравнению со скоростью сварки. Гада и др.33 сообщили, что твердость суставов увеличивается с уменьшением скорости вращения. Ганеш и Кумар34 исследовали сверхпластичность листов алюминиевого сплава, сваренных трением с перемешиванием, при различных скоростях вращения инструмента. Результат показывает, что сверхпластичность значительно улучшается с увеличением скорости вращения инструмента. Было замечено, что при наличии армирующих частиц внутри зоны ядра механические свойства сварного соединения значительно улучшаются. Методы армирования, используемые для усиления армирующих материалов при сварке трением с перемешиванием в зоне сварки трением с перемешиванием, являются одним из ключевых вопросов при СТП. Методы армирования определяют объем и распределение армирующих материалов в зоне сварки трением с перемешиванием во время СТП. Свойства усиленного шва трением с перемешиванием также зависят от эффективного легирования и распределения армирующего материала в зоне сварки трением с перемешиванием. Саиди и др.35 использовали технику заполнения канавок для заполнения наночастиц Al2O3 для изготовления соединений, армированных Al2O3. Они заметили, что коррозионная стойкость соединения FSW, армированного Al2O3, была превосходной. Однако ударная вязкость была ниже из-за слабой связи между исходным и армирующим материалами. Подобный метод также использовался Кумаром и др.36 для введения частиц SiC и Si3N4 в зону сварки трением с перемешиванием. Драгатояннис и др.37 обработали прямоугольную канавку, глубина которой составляла половину глубины пластины вдоль линии соединения, для изготовления сварного соединения трением с перемешиванием, армированного TiC. Они сообщили, что твердость соединений, армированных TiC, увеличилась на 18%. Кроме того, также улучшились прочность на растяжение и пластичность соединений. Техника V-образных канавок была использована Хуангом38 для введения частиц арматуры на основе железа в зону сварки трением с перемешиванием. Результат показывает, что прочность на растяжение и пластичность соединения, армированного железом, были хуже. Однако прочность и пластичность возрастали с увеличением скорости вращения инструмента. Сингх и др.39 использовали методы заполнения отверстий для включения частиц Al2O3 на прилегающих кромках сварного шва с перемешиванием. Они обнаружили, что твердость соединений увеличивается с увеличением объемной доли Al2O3. Пантелис и др.40 армировали наночастицы SiC в зоне FSW при сварке алюминиевого сплава. Они сообщили, что твердость сварочного самородка улучшилась на 18% по сравнению с материалом без добавления SiC. Паша и др.41 исследовали механическое поведение сварных соединений алюминиевого сплава, армированных SiC и Al2O3 с различным процентным содержанием. Было обнаружено, что прочность на разрыв и твердость сварных соединений, армированных SiC, превосходят соединения, армированные Al2O3. Однако пластичность и ударная вязкость сварных соединений, армированных частицами, оказались хуже, чем неармированных сварных соединений.