Resumo
Para resolver o problema do mau desempenho da junta causado pela frágil camada de composto na interface alumínio/titânio, lasers de nanossegundos foram usados para tratar a superfície de ligas de titânio através de tratamento reticulado e linear, o que altera a micromorfologia da superfície. Em seguida, foi realizada brasagem a laser da liga de alumínio 6061 e da liga de titânio TC4.
O estudo mostrou que a capacidade de espalhamento do metal de adição melhora significativamente com a diminuição do espaçamento entre pontos. O tratamento de texturização de superfície a laser pode efetivamente melhorar o formato da superfície da solda, e o tratamento em rede foi mais eficaz do que o tratamento linear.
O tratamento de texturização tem um impacto menor nos tipos de compostos interfaciais, que são compostos frágeis de Ti-Al, afetando principalmente a direção de crescimento e a morfologia dos compostos nas covas. Após o tratamento de matriz de pontos, a carga de tração da junta soldada a laser de alumínio/titânio aumentou de 5% a 21%.
O pite, que resultou do tratamento de texturização, bloqueou efetivamente a propagação de fissuras, enquanto o tratamento linear teve um efeito insignificante nas propriedades das juntas de alumínio/titânio.
O estudo destaca a necessidade de melhorar o efeito umectante da solda fundida, garantindo ao mesmo tempo a umectação de metais diferentes e melhorando as propriedades mecânicas das juntas. Este será o foco principal na próxima etapa da pesquisa.
Prefácio
A estrutura composta de alumínio/titânio possui alta resistência específica, excelente resistência à corrosão, benefícios econômicos e de economia de energia e facilidade de processamento. Como resultado, possui um potencial significativo para aplicação em uma ampla gama de indústrias, incluindo aeroespacial, construção naval e fabricação de automóveis.
A Airbus, por exemplo, emprega uma estrutura de placa de titânio com nervuras de alumínio para o trilho-guia do assento e solda lâminas de liga de alumínio a tubos de liga de titânio para fabricar radiadores para casas de máquinas. No setor automóvel, a Alemanha desenvolveu um sistema de escape composto de alumínio/titânio que é 40% mais leve do que os sistemas de escape tradicionais em aço.
A estrutura de materiais diferentes de alumínio/titânio atende às rigorosas demandas da indústria moderna em termos de conservação de energia, redução de emissões e retenção de desempenho. Consequentemente, a tecnologia de conexão entre os dois tem atraído muita atenção.
No entanto, as propriedades físicas e químicas da liga de alumínio e da liga de titânio são bastante diferentes, tornando difícil controlar a espessura do composto frágil durante a soldagem, o que representa um desafio para a ligação confiável entre os dois materiais. Esta limitação tem dificultado a aplicação de componentes compósitos de liga de alumínio e liga de titânio.
O rápido desenvolvimento da tecnologia de soldagem a laser levou ao seu uso generalizado na indústria moderna. A brasagem por fusão a laser permitiu o controle preciso da entrada de calor e a regulação eficaz dos compostos de interface, tornando-a uma opção atraente para conectar placas de alumínio e titânio.
Uma vez que as propriedades mecânicas de juntas metálicas diferentes entre alumínio e titânio e o efeito de umedecimento e espalhamento das soldas estão relacionados aos compostos de interface, os pesquisadores conduziram extensas pesquisas para melhorar essas propriedades adicionando elementos de liga e regulando a entrada de calor.
Por um lado, a molhabilidade do metal de solda influencia significativamente o desempenho da junta. Por exemplo, Cui Qinglong descobriu que, ao ajustar os parâmetros de soldagem ao soldar a liga de titânio TC4 e a liga de alumínio 5A06, a molhabilidade ideal do metal de adição pode melhorar significativamente a resistência à tração das juntas metálicas diferentes de alumínio/titânio.
Por outro lado, o tipo, a morfologia e a distribuição dos compostos interfaciais desempenham um papel decisivo nas propriedades mecânicas das juntas. No entanto, controlar a estrutura da interface utilizando métodos convencionais pode ser muito desafiador.
Neste estudo, a texturização de superfície a laser foi utilizada para tratar placas de titânio. Ao melhorar a molhabilidade do metal de adição na superfície do titânio e regular a morfologia e distribuição da camada de reação da interface, a qualidade da ligação dos metais diferentes de alumínio/titânio foi melhorada, resultando em juntas com boas propriedades mecânicas.
O estudo revelou a influência da texturização a laser no formato da solda, nas propriedades mecânicas e na microestrutura da interface da brasagem por fusão a laser de alumínio/titânio.
1. Materiais e métodos de teste
Os corpos de prova são compostos por placas de liga de titânio TC4 e liga de alumínio 6061, ambas medindo 100 mm x 50 mm x 1,5 mm.
A liga de alumínio 6061 está laminada e sua composição química é apresentada na Tabela 1, enquanto a composição da liga de titânio TC4 está disponível na Tabela 2.
Para o fio de enchimento, é escolhido o fio de soldagem de alumínio e silício ER4043 (AlSi5) com diâmetro de 1,2 mm. Consulte a Tabela 3 para sua composição química.
Tabela 1 Composições químicas de 6061（% em peso）
| Al | Ti | mg | Si | Fé | Cu |
| Rem. | 0,15 | 0,80-1,20 | 0,40-0,80 | 0,70 | 0,15-0,40 |
Tabela 2 Composições químicas de TC4 （% em peso）
| Ti | Al | V | Fé | C | N | H | Ó |
| Rem. | 5,50-6,80 | 3,50-4,50 | 0h30 | 0,10 | 0,05 | 0,01 | 0,20 |
Tabela 3 Composições químicas de ER4043 （% em peso）
| Al | Si | Fé | Cu | Ti | Zn | mg | Mn |
| Rem. | 5h00 | 0,80 | 0h30 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,05 |
Antes da soldagem, utilize um método de limpeza química para remover a película de óxido da superfície da placa de alumínio. Utilize uma solução aquosa de NaOH de 6% a 10% a 40°C a 60°C por aproximadamente 7 minutos para limpeza alcalina.
Em seguida, mergulhe o corpo de prova em HNO3 30% por aproximadamente 3 minutos para neutralizar e passar por tratamento fotoquímico, removendo qualquer cinza cinza ou preta pendurada na superfície. Para limpar a placa de titânio, utilize uma solução de HCl-HF (3:1).
Para o teste de soldagem, utilize o laser de fibra IPG YLS-6000, e a plataforma de teste é exibida na Figura 1a. Com base em pesquisas anteriores, os parâmetros de teste são definidos da seguinte forma: potência do laser de 2.000 W, quantidade de desfocagem de +20 mm, velocidade de soldagem de 0,5 m/min, velocidade de alimentação do arame de 5 m/min e gás de proteção (99,9% Ar) vazão de 10 L/min.
A Figura 1b ilustra o processo de brasagem a laser de alumínio/titânio usando o método de emissão contínua de luz.
O metal base foi coberto com uma placa de titânio na parte superior e uma placa de alumínio na parte inferior, com largura de lapidação de 5 mm.
Dois grupos de materiais à base de liga de titânio foram tratados com laser de baixa potência, sendo um grupo submetido à texturização matricial e o outro à texturização linear.
Para a texturização matricial, o espaçamento entre pontos foi variado com valores de 0,8 mm, 1,0 mm e 1,2 mm. Por outro lado, para texturização linear, o espaçamento linear foi variado com valores de 0,2 mm, 0,4 mm e 0,6 mm. A direção do processamento linear foi paralela à direção da soldagem.
Fig.1 Equipamento de soldagem-brasagem a laser e esquema de Al/Ti
Após o tratamento, sulcos e depressões regulares se formam na superfície da placa de titânio, conforme representado na Fig. 2. A Fig. 3 ilustra a morfologia tridimensional de sulcos e sulcos observados sob o microscópio de ultraprofundidade de campo. 、
Conforme mostrado na Figura 3, o número de cavidades e ranhuras geradas por unidade de área varia sob diferentes espaçamentos entre pontos e linhas. No entanto, a profundidade e o diâmetro (largura) dos poços e ranhuras permanecem constantes. Isto indica que quanto menor o espaçamento, maior será o aumento da área superficial da placa de titânio.
Fig.2 Texturização de superfície a laser de liga de titânio
Fig.3 Morfologia 3D da liga de titânio com textura de superfície a laser
Após a soldagem, corte-o perpendicularmente à solda e processe-o em uma amostra de tração medindo 50 mm x 10 mm para o teste de propriedades mecânicas da junta.
Para garantir resultados de teste precisos, devem ser adicionados calços em ambas as extremidades das placas de alumínio e titânio durante o teste para evitar torque ou deflexão durante o processo de tração.
As amostras metalográficas deverão ser polidas e a microestrutura da solda caracterizada por meio de microscópio óptico (MO), microscópio eletrônico de varredura (MEV) e espectrômetro de energia dispersiva (EDS).
2. Resultados e análises de testes
2.1 Efeito de diferentes métodos de texturização na formação da solda
A rugosidade do substrato da liga de titânio aumenta com menor espaçamento entre redes na texturização a laser. Isto, por sua vez, aumenta a capilaridade, o que promove a propagação direta do metal de solda.
A Figura 4 ilustra a morfologia macroscópica da solda de brasagem a laser de alumínio/titânio sob diferentes espaçamentos de rede. Há uma diferença significativa na formação da solda entre os diferentes grupos experimentais.
Sem texturização, o metal de adição de brasagem não se espalha bem, resultando em má formação da solda. O metal de solda não é umedecido durante a solidificação, formando um grande ângulo de molhamento e um fraco efeito de espalhamento.
Porém, após o tratamento de texturização, a formação da solda é significativamente melhorada, resultando em um bom efeito de umedecimento e espalhamento, levando à formação de solda contínua e estável.
A Figura 4e exibe os resultados estatísticos do ângulo de molhamento e da largura de espalhamento do metal de adição sob diferentes espaçamentos de rede. À medida que o espaçamento dos pontos diminui, o ângulo de molhamento diminui gradualmente e o efeito de espalhamento do metal de solda melhora.
O efeito de melhoria é mais significativo com um espaçamento de pontos menor. Isto se deve principalmente ao efeito capilar da rede, que promove a propagação da solda fundida, resultando em melhor formação da solda.
Fig.4 Aparências de solda da junta Al/Ti produzida em diferentes espaçamentos entre pontos
A Figura 5 mostra a macromorfologia da solda de brasagem a laser de alumínio/titânio em diferentes intervalos lineares.
Os valores correspondentes para o ângulo de molhamento da solda e largura de espalhamento da solda em diferentes espaçamentos entre linhas retas são apresentados na Figura 5e.
À medida que o espaçamento entre linhas retas diminui, o ângulo de molhamento permanece relativamente inalterado, enquanto a capacidade de espalhamento da solda aumenta ligeiramente. No entanto, o efeito de melhoria da capacidade de espalhamento da solda é mais fraco do que o do processamento da rede.
Isto implica que a barreira de energia criada pela ranhura tratada com linhas retas é maior do que a do processamento em rede. Como resultado, dificulta o movimento do metal de solda fundido. Além disso, a borda da ranhura tem um efeito de fixação na linha trifásica, inibindo assim o espalhamento adicional do metal fundido.
Fig.5 Aparência da solda da junta Al/Ti produzida sob diferentes espaçamentos lineares
2.2 Efeito de diferentes métodos de texturização nas propriedades de tração
Os resultados dos testes de propriedades de tração de juntas sob diferentes modos de texturização são apresentados na Fig. 6, todas rompendo na interface.
A carga de tração da junta sem tratamento de texturização foi de 2345N.
O tratamento matricial melhorou o desempenho da junta em 5% a 21%, enquanto o desempenho da junta alumínio/titânio não foi afetado pelo tratamento linear.
A análise revela que o tratamento com matriz de pontos resultou em um menor ângulo de contato da junta soldada, maior largura de solda e maior efeito de mordida mecânica, levando a uma melhoria significativa na resistência à tração da amostra de tratamento com matriz de pontos.
No entanto, o tratamento linear tornou mais difícil espalhar o metal de adição fundido, resultando em uma diferença insignificante no efeito de espalhamento e nas propriedades de tração.
Fig.6 Resultados do teste de tração nas juntas
2.3 Efeito de diferentes métodos de texturização na estrutura da interface
As características microestruturais da interface da junta soldada por fusão após o tratamento de texturização matricial são apresentadas na Fig.
A microestrutura das juntas após o tratamento com matriz de pontos é semelhante à das não tratadas, pois o tratamento por pontos é mínimo e a maior parte da morfologia da seção transversal não apresenta pontos de tratamento por pontos.
De acordo com pesquisas bibliográficas, a camada composta de interface gerada na interface após o tratamento de texturização não apresenta mais uma distribuição suave nas cavidades e ranhuras. Em vez disso, ele é distribuído em zigue-zague ao longo da interface.
Este padrão aumenta a área efetiva de conexão da interface, ao mesmo tempo que melhora o mosaicismo mecânico, levando a melhores propriedades mecânicas da junta.
No entanto, devido ao grande gradiente de temperatura causado pelo aquecimento local do laser, as microestruturas do dedo do pé da solda b e da zona de irradiação intermediária c são diferentes.
A Fig. 7d ilustra que a espessura da camada de reação na área da ponta da solda é fina, e os resultados da varredura de linha mostram um enriquecimento do elemento Si, que pode ser especulado como sendo a fase Ti Al Si.
Por outro lado, a espessura da camada de reação na zona de irradiação intermediária é de cerca de 30 μm, e os resultados da varredura indicam que é uma fase frágil de TiAl com 55,69% de Al, 44,22% de Ti e 0,08% de Mg.
Fig.7 Microestrutura de interface da junta Al/Ti com texturização matricial
As características da estrutura de interface das juntas soldadas por fusão com tratamento linear são mostradas na Fig.
Quando o laser atua sobre a junta, o metal de adição derrete e preenche as ranhuras da placa de titânio por ação capilar e por sua própria fluidez.
Descobriu-se que os compostos se formaram nos poços tratados em linha reta perto da ponta da solda na zona b e na zona de irradiação do laser e. A direção de seu crescimento era inconsistente com a direção da matriz (ver Fig. 8c), o que poderia desempenhar um papel na inibição do crescimento de fissuras.
O tecido da área diretamente irradiada pelo laser é mais espesso.
Os resultados do espectro de energia indicam que o ponto b contém 60,93% de Al, 38,73% de Ti e 0,33% de Mg, enquanto o ponto e contém 4,16% de Al, 25,19% de Ti e 0,65% de Mg.
Infere-se que o composto intermetálico frágil é a fase TiAl3, e o composto frágil interfacial contínuo pode ser a fonte de falha da interface.
Fig.8 Microestrutura de interface da junta Al/Ti com processamento de texturização linear
Depois de analisar os resultados da observação da microestrutura acima, é evidente que a matriz de pontos e a texturização linear têm um efeito mínimo na morfologia da interface. Além disso, a interface gera produtos de reação contínua.
Devido à alta fragilidade do composto de interface, uma interface não tratada pode se tornar uma fonte de trincas. Essas fissuras podem continuar a expandir-se para a camada plana e frágil do composto, levando finalmente à fratura da articulação.
Embora a camada de composto de interface também produza rachaduras após a texturização, o metal base e o composto de interface serão serrilhados. Como resultado, quando as microfissuras se estendem até a borda serrilhada, elas serão bloqueadas, inibindo a expansão adicional da fissura e evitando a fratura frágil da junta.
Resumindo, a formação de interface serrilhada da texturização a laser reduz as chances de propagação de trincas em grande escala na camada de composto frágil, melhorando assim as propriedades mecânicas da junta.
A morfologia SEM da superfície de fratura de alumínio/titânio sob tratamento de matriz de pontos é mostrada na Figura 9.
Pode-se observar que parte do metal de solda na fratura, principalmente as amolgadelas após o tratamento de texturização, aderiu ao substrato de titânio durante o alongamento, resultando em “saliências” regulares na superfície, conforme mostrado na Figura 9a. Isto indica que o tratamento em treliça melhorou efetivamente a adesão da junta.
A análise do espectro de energia identificou que a adesão da cratera é o metal de solda formado após a fusão da solda (#1: teor de Al 98,39%, teor de Ti 0,46%, teor de Mg 1,15%). Além disso, o poço do substrato de titânio é cercado por compostos de Ti-Al (#2: 38,56% Al, 60,32% Ti, 1,12% Mg), como mostrado na Figura 9d.
Estas descobertas indicam que quando ocorre uma fratura, a trinca na interface não passa através da interface do pite, mas em vez disso corta o metal de solda no pit. Isto sugere que a cava bloqueia efetivamente o crescimento de fissuras e melhora o desempenho da junta.
Esses resultados fornecem informações valiosas para pesquisas futuras.
Fig.9 Morfologia da superfície da fratura da articulação com texturização de pontos
A Figura 10 mostra a morfologia SEM da superfície de fratura de alumínio/titânio após tratamento linear.
Como visto nas Figuras 10b e 10d, após o tratamento de texturização linear, algum metal de solda permanece no substrato de titânio na superfície de fratura da junta.
A análise do espectro de energia revela que o metal na cava é metal de adição (#1: teor de Al 69,19%, teor de Ti 1,68%, teor de Mg 0,94%, teor de Si 21,52%), que é cercado por produtos de reação Ti-Al (#2 : Teor de Al 33,28%, teor de Ti 55,18%, teor de Mg 1,81%).
Assim, as ranhuras criadas pelo tratamento linear desempenham um papel crucial na prevenção da propagação de fissuras na interface.
Contudo, as propriedades mecânicas da junta não melhoraram significativamente devido à limitada humedecimento e espalhamento da solda derretida.
Fig.10 Morfologia da superfície da fratura da articulação com texturização linear
Em resumo, diferentes métodos de texturização podem ter efeitos variados na molhabilidade do metal de solda, nas propriedades mecânicas e na microestrutura das juntas.
Depois de passar pelo tratamento de texturização matricial, o metal de adição é capaz de fluir para dentro dos sulcos e sulcos durante a soldagem. Isto se deve ao efeito capilar, que facilita a propagação do metal de adição na superfície do titânio, resultando em melhores propriedades mecânicas.
Por outro lado, o tratamento de texturização linear não tem efeito significativo no espalhamento da solda. As ranhuras paralelas à solda geram uma barreira de energia que impede o espalhamento adicional da solda fundida.
No entanto, ambos os métodos de texturização podem aumentar a área de conexão da interface, e o composto da interface ficará serrilhado, o que pode inibir a propagação de rachaduras em grande escala.
Deve-se notar que o tratamento de texturização linear não tem um efeito significativo na melhoria da área de espalhamento do metal de adição e nas propriedades mecânicas.
3. Conclusão
(1) A texturização de superfície a laser pode melhorar significativamente a formação de superfícies de solda.
Após o tratamento com matriz de pontos, o ângulo de molhamento diminuiu de 98° para um mínimo de 62°. A melhor molhabilidade da solda, devido à capilaridade, resultou em uma diminuição no ângulo de molhamento do metal de solda e em um aumento na largura de espalhamento da solda.
O tratamento de matriz de pontos é mais eficaz do que o tratamento de texturização linear no aumento da molhabilidade da solda, e a melhoria é mais significativa com espaçamento de pontos menor.
(2) O tratamento de texturização matricial pode melhorar significativamente as propriedades de tração da junta, aumentando a carga de tração em 21% em comparação com uma junta não tratada.
O tratamento de texturização matricial melhora a molhabilidade da solda e aumenta a área efetiva da junta, enquanto os buracos formados na rede bloqueiam a propagação de trincas.
Embora o tratamento de texturização linear também possa prevenir fissuras, ele não melhora significativamente a molhabilidade e a propagação da junta, não levando a nenhuma melhoria significativa no desempenho da junta.
(3) Os tratamentos de texturização têm pouco efeito no tipo de interface intermetálica, que são todos compostos frágeis de Ti-Al. Os intermetálicos frágeis e contínuos na interface formam uma fonte de trincas.
No entanto, o tratamento de texturização aumenta a área efetiva de conexão da interface e altera a morfologia do composto da interface. A orientação de crescimento do composto formado pelo tratamento de texturização é diferente daquela do composto contínuo sem tratamento de substrato. A camada composta muda de uma distribuição reta para uma distribuição em zigue-zague, o que inibe a expansão de fissuras, reduzindo a possibilidade de crescimento de fissuras em grande escala no composto de interface.
(4) A pesquisa a seguir concentra-se em como melhorar ainda mais o efeito de umedecimento da solda fundida, sob a premissa da texturização, para melhorar as propriedades mecânicas das juntas e garantir a umectação de metais diferentes.
