塑性变形作用下异种钛合金压力连接界面的多尺度演化机制

The integral and lightweight components of dissimilar titanium alloys have been an inevitable choice for developing novel aeronautics and astronautics equipments. Press bonding technology can meet the urgent demand for the manufacture of integral and lightweight components of dissimilar titanium alloys with excellent performance, high reliability and short process, in which the excellent physical metallurgical bonding interface can be obtained by imposing large plastic deformation to control the bonding interface evolution. However, the inherent correlation between plastic deformation and bonding interface evolution has not been clarified, so that the active control on the bonding interface evolution is difficult to conduct. Combining physical simulation experiments, theoretical analysis and mathematical modeling, the multi-scale evolution of bonding interface including meso-voids, microstructure and nanostructure will be discussed based on the mass transformation mechanisms such as plastic flow and elements diffusion across bonding interface. The interaction of the evolution of meso-voids in bonding interface and plastic flow will be investigated. The effect of plastic deformation on the intrinsic characteristics of elements diffusion across bonding interface and micro-nanostructures of bonding interface will be analyzed. The multi-scale evolution mechanisms of bonding interface in the press bonding of dissimilar titanium alloys considering plastic deformation will be revealed. This research will provide a theoretical basis for the steady control of bonding interface evolution in the press bonding of dissimilar titanium alloys, which is important to develop the high performance and efficiency bonding technology for manufacturing lightweight components of titanium alloy.

异种钛合金整体轻量化构件已经成为发展新型航空航天装备的必选构件。压力连接技术通过控制塑性变形调控连接界面演化过程，实现连接界面的高可靠物理冶金结合，可满足异种钛合金整体轻量化构件高性能、高可靠和短流程制造的紧迫需求。目前，尚未明确塑性变形与连接界面演化过程的内在关联，难以实现连接界面演化过程的主动调控。本项目拟采用物理模拟试验、理论分析和数学建模相结合的研究方法，从连接界面介观空洞、微观与纳观结构等多尺度出发，重点针对塑性流动和跨连接界面元素扩散等物质传输过程，研究异种钛合金压力连接界面介观空洞演化与塑性流动的交互作用，分析塑性变形对跨连接界面元素扩散与连接界面微观/纳观结构内禀特性的影响，揭示塑性变形作用下异种钛合金压力连接界面的多尺度演化机制，为异种钛合金压力连接界面演化过程的稳健调控奠定理论基础，对发展钛合金轻量化构件的高性能高效连接成形制造技术具有重要意义。

压力连接基于控制塑性变形来调控连接界面演化过程，是获得高可靠冶金连接异种钛合金构件的重要方法。压力连接时，塑性变形作用下的连接界面演化过程复杂，涉及介观空洞演化、微观与纳观结构演化等多个尺度，连接界面组织结构和冶金结合质量难以调控。本项目采用物理模拟试验、理论分析、数学建模和微观/纳观结构表征等研究方法，从连接界面介观空洞、微观与纳观结构等多尺度出发，研究了塑性变形作用下异种钛合金压力连接界面处组织结构演化规律，分析了介观空洞演化机制，建立了三维空洞演化模型，阐明了塑性变形对连接界面微观/纳观结构演化及跨连接界面元素扩散机制的影响，揭示了塑性变形作用下异种钛合金压力连接界面的多尺度演化机制。本项目取得了以下重要研究成果：（1）获得了压力连接工艺参数及合金微观组织对异种钛合金压力连接界面组织结构的影响规律；（2）基于定量分析明确了连接工艺参数对连接界面介观空洞尺寸、数量、分布特征以及界面连接率的影响；（3）明确了塑性变形对异种钛合金连接界面处化学元素扩散和显微硬度梯度变化的影响规律。（4）阐明了塑性变形作用下钛合金高温流动规律及微观组织演变特征；（5）建立了塑性变形作用下钛合金压力连接界面介观空洞演化模型。（6）揭示了塑性变形作用下异种钛合金压力连接界面微观/纳观结构演化机制。本项目共发表学术论文16篇，其中SCI论文15篇，SCI他引共41次；获授权国家发明专利1项，获受理国家发明专利2项；协助培养博士研究生2人，硕士研究生4人。本项目研究成果为实现异种钛合金压力连接界面组织结构的稳健调控奠定了理论基础，对于创新高性能连接成形制造理论与技术具有重要意义。