Quelle est la raison pour laquelle l’alliage de titane et l’aluminium sont difficiles à souder ?

L'alliage de titane est un matériau léger, à haute résistance et résistant à la corrosion. En raison de ses excellentes propriétés, il est largement utilisé dans l’aérospatiale, les équipements médicaux, l’industrie chimique et d’autres domaines. Cependant, les performances de soudage des alliages de titane sont relativement médiocres, principalement pour les raisons suivantes :
Formation d'une couche d'oxyde :Une couche d'oxyde solide se forme facilement à la surface de l'alliage de titane. Cette couche d'oxyde augmente non seulement la difficulté du processus de soudage, mais réduit également la résistance du soudage. Avant le soudage, certaines méthodes de prétraitement spéciales, telles que le décapage ou le polissage mécanique, sont généralement nécessaires pour éliminer la couche d'oxyde et ainsi améliorer les performances de soudage.
Faible conductivité thermique :La conductivité thermique de l'alliage de titane est relativement faible, ce qui entraîne un gradient de température important à proximité de la soudure, ce qui peut facilement provoquer des déformations et des fissures lors du soudage. Afin de réduire le gradient de température, il est souvent nécessaire d'adopter des mesures telles que le préchauffage et le contrôle de la vitesse de soudage, ce qui augmente la complexité du processus de soudage.
Sensibilité à l'hydrogène :L'alliage de titane est sensible à l'hydrogène et absorbe facilement l'hydrogène pendant le processus de soudage, ce qui entraîne une fragilisation par l'hydrogène. La fragilisation par l'hydrogène peut provoquer une rupture fragile des joints soudés. Certaines mesures doivent donc être prises, telles que le contrôle de la teneur en hydrogène dans l'environnement de soudage, pour réduire le risque de fragilisation par l'hydrogène.

Dissolution sélective :L'alliage de titane est sujet à une dissolution sélective avec certains éléments métalliques à haute température, formant une phase fragile, ce qui affecte les performances des joints soudés. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée à éviter cette dissolution sélective lors de la sélection des matériaux et des procédés de soudage.
Point de fusion élevé :Le point de fusion relativement élevé des alliages de titane nécessite des températures élevées pour le processus de soudage, augmentant ainsi la consommation d'énergie et les besoins en équipements de soudage.
Afin de résoudre ces problèmes, le soudage des alliages de titane nécessite généralement l'utilisation de procédés de soudage spécialisés, notamment le soudage sous protection sous gaz inerte, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage au laser et d'autres technologies de soudage avancées. De plus, la sélection des matériaux de soudage appropriés, le contrôle des paramètres de soudage et l'adoption de méthodes de prétraitement sont également des moyens importants pour améliorer la qualité du soudage des alliages de titane.

En résumé, les raisons pour lesquelles l'alliage de titane et l'aluminium sont difficiles à souder sont les suivantes :
1. L’aluminium et le titane réagissent facilement avec l’oxygène
⑴ L'aluminium réagit avec l'oxygène pour former un Al2O3 (film d'oxyde) dense et réfractaire avec un point de fusion pouvant atteindre 2050 degrés, ce qui entrave la combinaison des deux matériaux de base et rend la soudure sujette aux inclusions.
⑵Le titane commence à s'oxyder à 600 degrés. Plus la température est élevée, plus l'oxydation sera grave, formant du TiO2 (dioxyde de titane), formant une couche fragile intermédiaire dans la soudure, réduisant ainsi la plasticité et la ténacité.
2. L’aluminium et le titane réagissent différemment à différentes températures
⑴. À 1460 degrés, l'aluminium et le titane forment un composé TiAl (aluminiure de titane) contenant 36,03 % de fraction massique d'aluminium, ce qui augmente la fragilité du métal.
⑵ L'aluminium et le titane forment un composé TiAl3 (trialuminide de titane) contenant 60 % à 64 % de fraction massique d'aluminium à 1340 degrés.
⑶ Une fois l'aluminium et le titane fondus, lorsque la fraction massique de titane est de 0,15 %, une solution solide de titane se forme dans l'aluminium.
3. La solubilité mutuelle de l’aluminium et du titane est très faible
⑴À 665 degrés, la solubilité du titane dans l'aluminium est de 0,26 %~0,28 %. À mesure que la température diminue, la solubilité diminue.
⑵Lorsque la température descend à 20 degrés, la solubilité du titane dans l'aluminium chute à 0,07 %, ce qui rend difficile la combinaison des deux matériaux de base.
La solubilité de l’aluminium dans le titane est plus limitée, ce qui rend très difficile la formation de soudures entre les deux matériaux de base.
4. L'aluminium et le titane ont une forte absorption d'eau à haute température.
⑴L'aluminium liquide peut dissoudre une grande quantité d'hydrogène, mais il est presque insoluble à l'état solide. Au fur et à mesure que la soudure se solidifie, l’hydrogène n’a pas le temps de s’échapper et de former des pores.
⑵L'hydrogène a une solubilité élevée dans le titane. À basse température, l'hydrogène s'accumule dans les pores, réduisant la plasticité et la ténacité de la soudure et provoquant facilement des fissures fragiles.
5. L’aluminium forme des composés fragiles avec le titane et d’autres impuretés
⑴. L'oxyde formé par l'aluminium et l'oxygène augmente la fragilité du métal et rend le soudage difficile.
⑵Le titane et l'azote forment du nitrure de titane, ce qui réduit la plasticité du métal.
⑶Le titane et le carbone forment des carbures. Lorsque la fraction massique de carbone est supérieure à 0,28 %, la soudabilité des deux métaux de base se détériorera considérablement.
6. L’aluminium et le titane réagissent différemment à différentes températures
⑴La conductivité thermique de l'aluminium et du titane est très différente. L'aluminium (206,9 W·m-2·K-1) est environ 16 fois plus gros que le titane (13,8 W·m-2·K-1).
⑵Les coefficients de dilatation linéaire de l'aluminium et du titane sont très différents et l'aluminium est environ 3 fois plus grand que le titane. Sujet à la fissuration sous pression.
7. Les éléments d'alliage en aluminium et en titane brûlent et s'évaporent
⑴Lorsque l'aluminium ou l'alliage d'aluminium fond, les éléments dont le point de fusion est inférieur, tels que le magnésium, le zinc, etc., commencent à brûler ou à s'évaporer.
⑵ Lorsque le point de fusion du titane ou de l'alliage de titane est atteint (1677 degrés), les éléments d'alliage tels que l'aluminium brûlent et s'évaporent davantage, ce qui entraîne une composition chimique inégale de la soudure et une résistance réduite.