TiAl3与碳纤维协同强化TC4/Cf/Al超声电烙铁接头性能研究

TC4钛合金具备比强度高、耐温性优异、密度低、导热系数小等优势，是航空航天、船舶制造领域的核心结构材料。碳纤维增强铝基复合材料（Cf/Al）融合了碳纤维与铝合金的双重优势，碳纤维赋予材料高强高模、耐疲劳的特性，铝基体则保证了良好的导热性与成型性能，整体综合力学性能优异，广泛应用于航空、汽车等高端制造领域。钛铝异种材料复合结构可实现轻量化、低成本、高强度与耐腐蚀的多重需求，应用前景广阔，但异种材料焊接难题始终制约其规模化推广。

钛、铝材料的熔点、线膨胀系数、原子半径差异较大，焊接过程中极易产生金属间化合物、气孔、裂纹等缺陷，大幅降低接头力学性能。现有主流焊接工艺存在明显短板，激光焊、电弧焊易因母材熔化产生大量气孔缺陷；搅拌摩擦焊可实现低温固相焊接，有效生成薄型TiAl3金属间化合物层，但焊接过程的强机械搅拌会损伤Cf/Al复合材料中的碳纤维，破坏纤维分布结构，导致接头性能劣化，无法适配TC4与Cf/Al的异种连接需求。因此，开发适配该异种材料体系的优质焊接工艺极具研究价值。

超声电烙铁无需助焊剂、可在大气环境下低温作业，工艺简洁且适配性广，可实现金属、复合材料等多种材料的高效连接，成为异种材料优质焊接的优选技术。已有研究证实，超声电烙铁可实现碳化硅纤维铝基复合材料的可靠连接，硬质增强相迁移至焊缝内部，有效提升接头强度，为Cf/Al复合材料焊接提供了重要参考。

本文采用TC4钛合金与Cf/Al复合材料为试验基材，通过TC4表面热浸纯铝预处理工艺降低电烙铁温度，规避铝基体熔化产生的气孔缺陷。试验优化了热浸保温时间、超声作用时间与超声功率等关键工艺参数，探究工艺参数对接头微观组织与力学性能的影响规律。试验试样尺寸统一规整处理，基材经砂纸打磨预处理后开展热浸改性与超声电烙铁试验。

试验结果表明，适宜的热浸工艺可在TC4表面生成弥散分布的TiAl3颗粒增强层，保温30min、超声作用10s时，TiAl3增强层厚度均匀、组织稳定。超声振动产生的空化效应可破除TC4表面氧化膜，促进TiAl3颗粒与Cf/Al中的碳纤维向焊缝迁移，最终形成TiAl3颗粒与碳纤维协同强化的复合焊缝结构。该结构可有效细化焊缝组织、填补焊接缺陷，解决了传统焊接接头疏松、强度不足的问题。

综上，预处理复合超声电烙铁工艺可有效实现TC4与Cf/Al异种材料可靠连接，TiAl3与碳纤维的协同强化机制显著提升接头综合性能，为钛合金-铝基复合材料异种连接提供了高效、可行的工艺方案，也为航空航天轻量化结构件的制备提供了技术支撑。

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