本文来源自公众号：先进焊接技术
近日，华中科技大学耿韶宁等在Journal of Manufacturing Processes上发表题为“Innovative insight for microstructural regulation of intermetallic compounds in Ti/Al dissimilar alloy laser welding: Micro-surface texturing via pulsed laser pretreatment”(Ti-Al异种合金激光焊接中金属间化合物微观组织调控的创新见解：脉冲激光预处理微表面织构)的文章。研究探讨了脉冲激光预处理(PLP)对Ti/Al异种接头中脆性金属间化合物(IMCs)形成的影响，并提出了通过表面纹理“铆接”和IMCs结构“钉扎”来改善Ti/Al异种接头机械性能的策略。研究发现，PLP能够显著增强Ti/Al接头的拉伸强度，并通过数值模拟全面理解了PLP对IMCs演变的影响。实验结果表明，PLP诱导的Ti/Al界面湍流和增强的热扩散导致IMCs的交替分布和多样的晶体学取向，平均厚度减少到2μm，从而显著提高了Ti/Al异种接头的拉伸强度。本研究得到了国家自然科学基金项目(编号：U22A20196、52075201和52305467)的资助。
文章亮点：
1)提出了基于PLP的Ti/Al激光钎焊方法，通过微尺度改变平滑的对接界面为粗糙界面，增加了Ti和Al之间的接触面积，形成了类似“铆接”的接头配置，为Ti/Al异种接头的机械性能优化提供了新视角。
2)通过脉冲激光预处理(PLP)，Ti/Al接头的拉伸强度得到了40%的提升。
3)PLP诱导的Ti/Al界面湍流和增强的热扩散导致IMCs的交替分布和多样的晶体学取向，平均厚度减少到2μm，揭示了IMCs结构与机械性能之间的基本关系。
研究背景：在航空航天和汽车工业中，为了节约能源和自然资源，对结构或部件的轻量化需求日益增长。Ti/Al异种合金的连接是减轻结构重量、节约稀有金属的有效措施之一。
激光钎焊利用了钛和铝之间的熔点差异，使用激光熔化铝以与固体或半熔化的钛结合。它以其方便性、效率/灵活性而脱颖而出，有效地减少了熔融钛的混合，以防止形成厚的IMC。但仅通过工艺参数调整难以获得最佳的金属间化合物。因此，各种辅助技术，包括多光束辅助，时间和空间功率调制，辅助磁场和超声场，正在用于激光钎焊焊接以改善IMC的固有特性。
近年来，脉冲激光处理是一种重要的表面纹理化方法，最近因其在改性异种金属对接表面、增强润湿性能以及接头机械强度方面的有效性而受到关注。然而，目前在这一领域的研究还很少。首先，PLP对IMC生长的影响机制尚未被研究。其次，在PLP条件下，Ti/Al异种钢接头中IMC的本征特性与接头力学性能之间的相关性尚不明确。因此，确定一个确定的目标IMC结构来指导过程改进策略是不可行的。因此，应用PLP对钛的对接表面进行织构化。系统地研究了Ti/Al异种合金激光钎焊界面金属间化合物的种类、含量、分布及晶体学特征。然后，通过数值模拟，全面分析了PLP对IMC生长的调控机制。最后，通过对拉伸裂纹萌生和扩展的研究，阐明了Ti/Al异种合金接头的断裂失效机理，建立了界面金属间化合物显微组织与接头力学性能之间的关系。本文对Ti/Al系金属间化合物的形成和断裂机理的研究有了新的进展。基于PLP诱导的表面织构“铆接”和IMCs结构“钉扎，”进一步为Ti/Al异种接头力学性能的改善策略提供了新颖独特的见解。
主要研究内容：
研究结论：
本文介绍了PLP基Ti/Al激光钎焊的研究，阐明了IMC生长的调制，揭示接头失效机制，并提供策略，以提高Ti/Al异种接头的机械性能。主要研究结果如下：
(1) 在Ti/Al合金激光钎焊过程中，PLP诱导的粗糙化使界面面积扩大了2.916倍，增强了溶质的不均匀性和流动的湍流性。它有利于增强Al和Ti之间的对流和扩散，最终将IMC(TiAl3，TiAl和Ti3Al)的界面排列从顺序梯度转变为无序的混合模式。
(2) PLP增强了接头表面的界面粗糙度，有利于热耗散，从而降低了Ti/Al异种合金激光钎焊过程中的温度和液相持续时间。它进一步减少了Ti的熔化，从而抑制了界面反应和Ti和Ti_3Al的凝固优先生长，促进了它们的固态析出。因此，晶体学取向和OR多样化，同时IMC层厚度从5μm减小到2μm。
(3) PLP诱导IMC由有序梯度向无序排列转变，促进稳定Ti3Al/TiAl3相界面的形成。通过抑制脆性相(TiAl3)和不稳定相边界(例如TiAl3/TiAl)的变形和破裂，干预将裂纹轨迹从线性发展修改为穿过IMC层的复杂偏转路线。因此，裂纹扩展速率显著降低，提高了Ti/Al异种接头的拉伸强度。
(4) PLP提出了一种通过在Ti/Al界面“铆接”微观结构来提高力学性能的创新方法，通过精确控制IMC的厚度和分布，在Ti/Al接头优化中具有更广泛的应用。
