封面 | 纳米颗粒增强焊丝，铝锂合金更强韧
封面解读
封面呈现了铝锂合金激光填丝焊接的基本原理。通过在2195铝锂合金专用焊丝中添加TiC纳米颗粒，改善了铝锂合金激光焊接结晶组织的均匀性，进而提升了焊缝金属的综合性能。激光填丝焊接工艺可保障载人运载火箭等在高强度、高可靠性、特种服役载荷性能等方面的需求。研究背景
铝锂合金自二十世纪五十年代起即为航空航天领域相关结构件的减重做出了重要贡献。研究表明，每增加一个单位锂元素能够实现材料重量减轻5%，强度增加30%。而航天器结构质量的减重意味着其运载的有效载荷增加，每千克有效载荷可带来 4400~110000 美元的经济效益。
在保证重量减轻的要求下，使用2195铝锂合金可以提高合金的韧塑性和强度，因此2195铝锂合金被誉为专门为航天运载器焊接结构开发生产的合金，在替代现有低温推进剂贮箱材料方面被寄予厚望。
同时，激光焊接可以获得热影响区窄、残余应力和变形小的高质量连接件，用于铝锂合金的焊接具有明显优势。然而，实际铝锂合金焊接构件生产制造过程中存在接头区软化、力学性能较低等问题，限制了其在航空航天领域的应用。因此，改善2195铝锂合金焊态下接头的微观组织形态及物相成分，以提高接头性能，是值得深入研究的一个课题。
创新工作
南京航空航天大学占小红教授团队针对铝锂合金激光焊接出现的组织不均匀和晶界偏析等问题，提出了一种添加纳米颗粒的焊缝强韧化方法，设计了铝锂合金专用高强焊丝，实现了熔合线边缘微观组织的精准调控。
首先，设计了添加TiC纳米颗粒的2195铝锂合金专用焊丝。具体方法为：采用高温合成法制备含有TiC纳米颗粒的2319铝合金铸锭，并通过多道次轧制工艺制成一定尺寸的焊丝，纳米颗粒增强焊丝经焊丝矫直器矫直后进行焊接试验，如图1所示。
开展了2195铝锂合金激光自熔焊与纳米颗粒增强焊丝激光填丝焊接实验，并对比分析了激光自熔焊焊及4047焊丝、2319纳米颗粒增强焊丝激光填丝焊接宏观形貌及微观组织形态，如图2所示。
图2 2195铝锂合金激光焊接微观组织形貌
相较于激光自熔焊，激光填丝焊焊缝组织得到细化。填充2319纳米颗粒增强焊丝激光焊接焊缝组织均为细小的等轴晶，纳米颗粒促进了柱状晶向等轴晶的转变。
其次，定量分析了填充焊丝对焊缝元素烧损率的影响。相较于激光自熔焊，填充2319纳米颗粒增强焊丝焊缝晶界处分布着大量的Cu元素，含Cu强化相增加。填充4047焊丝时，2195铝锂合金激光焊接过程中对Si元素进行补充，焊缝组织晶界分布大量的Si元素，含Si相强化相增加。
基于上述分析，研究了组织形态及元素分布对焊接接头拉伸断裂特征的影响。揭示了纳米颗粒对激光焊接试样强度-韧性协同改善的作用机制。填充纳米颗粒增强焊丝激光焊接接头的抗拉强度达到253.51 MPa，相比于激光自熔焊强度提高了14.19%，其断口形貌如图3所示。
后续工作
团队后续将进一步研究纳米颗粒在熔池中的运动轨迹及分布形态，揭示纳米颗粒植入对铝锂合金熔池凝固动力学、焊缝组织演变以及晶界结构转变的影响规律。
课题组介绍
南京航空航天大学激光焊接与精准再制造团队依托于航空航天结构力学及控制全国重点实验室、直升机动力学全国重点实验室建立。长期开展激光焊接与再制造理论研究、技术攻关、装备研制以及应用验证，致力于飞行器大尺寸复杂焊接\增材结构的组织、缺陷、应力、变形精确求解方法与调控策略，以及缺陷诊断、寿命预测和再制造设计。
团队聚焦国家重大战略部署，先后承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、民用航天预先研究项目、装发预研领域基金重点项目、等12项国家级项目以及10余项型号攻关项目（商飞、成飞/西飞/沈飞、航天一/三/八院）。发表SCI论文180余篇，获授权发明专利60余项。
通信作者简介
占小红，南京航空航天大学教授、博士生导师。主要从事激光焊接、增材制造与再制造相关的工艺、装备、建模仿真等方面的研究，以及航空航天严苛服役环境特种材料研制。入选国家重大人才工程B类领军人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“333人才”等。近五年来主持承担国家级项目12项、航空航天型号研制课题多项。项目研究成果成功应用于我国民用客机、军用飞机、运载火箭、巡航/弹道导弹等重大型号的研制与批产。在行业知名期刊发表SCI论文150余篇，获授权发明专利60余件，出版专著1部。获江苏省科学技术奖一等奖、航空工业科技进步二等奖等；获江苏省教学成果二等奖两项、南京航空航天大学教学优秀奖一等奖等。
科学编辑 | 占小红 李悦
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