轻质金属

轻质金属指的是超强轻质结构金属，具有非常高的比强度和比模量，或者硬质比。

应用背景钛合金和铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等特点，在航空航天、交通运输、车辆制造、化工领域等具有广泛的应用。现代工程中复杂工况条件对工件的服役性能提出了更高的挑战，促进了复合结构的发展和应用。由钛合金和铝合金构成的复合构件可最大限度发挥两种材料的性能特点。

由于钛合金和铝合金在热物理性能和力学性能上存在显著的差异，造成了两者在焊接过程当中容易出现气孔、裂纹等诸多问题。其中由于冶金反应形成金属间化合物是造成Ti/Al 异种材料接头性能恶化的重要原因之一。高效的实现钛合金和铝合金的焊接，并获得满意的接头性能，一直是异种材料焊接领域的关注热点。

焊接时候常见问题（1）相容性差。钛和铝的相互溶解度小。在665℃时钛在铝中的溶解度为0.26%-0.28%，温度降为20℃时，钛在铝中的溶解度降至0.07%，使两种金属很难融合。铝在钛中的溶解度更小，使两种金属融合形成固溶体焊缝较为困难。

（2）氧化问题。钛和铝都极易氧化，阻碍界面的结合。钛在600℃开始氧化形成TiO2，在焊缝及界面形成中间脆性层，铝及铝合金表面形成的致密氧化膜Al2O3，阻碍了两种金属的结合，而且焊缝容易夹杂，增加焊缝的脆性。

（3）气孔问题。氢在钛中的溶解度很大，低温时容易聚集形成气孔使焊缝的塑性、韧性降低，产生脆裂。液态铝可以溶解大量氢，但固态时几乎不溶解，降低焊接接头的质量。

（4）脆性相问题。钛和铝在1460℃时反应形成TiAl 型金属间化合物； 1340℃时反应形成Ti3Al 型金属间化合物。钛与氮反应形成脆性的氮化物。钛和碳反应形成碳化物，当含碳量大于0.28% 时，焊接性显著变差。这些化合物的存在降低焊缝的塑性和强度。

（5）焊接变形问题。钛和铝的热导率和线胀系数相差很大，造成焊接变形比较大。在焊接应力和脆性组织的共同作用下，容易产生裂纹。1

轻质金属的焊接研究钛合金母材与焊核的界面不平整，而铝合金母材与焊核的界面处平整光滑。焊核处形成了Ti-Al 系金属间化合物，使接头性能变差。以TIG 焊为辅助，进行了Al6061-T6 铝合金和Ti6Al4V钛合金的搅拌摩擦焊。焊接时TIG 焊热源在搅拌头前对钛合金进行预热。研究显示，搅拌摩擦焊时易在界面底部形成未焊合，降低焊缝的强度。TIG 辅助搅拌摩擦焊有助于消除底部的未焊合，提高接头强度。TIG 辅助搅拌摩擦焊接头的强度可达300MPa，约为铝合金母材的91%。钛棒的最佳浸铝温度和时间分别是680℃和25min，扩散焊接最佳温度为490℃、压力10MPa、时间为20min。在此工艺条件下钛/ 铝接头的抗拉强度可达180MPa。采用在钛合金表面预先热浸铝的工艺，在640℃将钛与铝真空扩散焊，保温时间为90 min。结果发现，钛合金与浸铝层一侧的界面处有TiAl 和TiAl3 生成，在铝合金一侧的扩散过渡区只有铝合金的固溶区，没有发现化合物。整个钛/ 铝扩散接头过渡区的显微硬度在420-570HM 之间2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学