添加Ni+Nb中间层的钛合金与不锈钢扩散焊工艺研究
钛与不锈钢扩散连接工艺的研究
森 林 工 程
Ｆ０ ＲＥＳＴ Ｅ ＮＧ ＩＮ ＥＥＲ ＩＮ Ｇ
维普资讯
Ｖ ｏ１．１８ ＮＯ．４ Ｊ ． ２００２
钛 与 不 锈 钢 扩 散 连 接 工 艺 的 研 究
凌 人 蛟
（哈 尔滨新 霖 现代建筑 材料有 限公 司 ）
关 于 钛 与 钢 的 压 焊 ，各 种 文 献 中 的报 道 也 是 较 多 的 。从 资 料 中可 以 得 知 ，电阻 焊 和 超 声 焊 可 以采 用 铝 、银 、镍 、钒 、铌 等 中间 层 来 焊 接 钛 与 钢 ，但 对 焊 接 规 范 的选 择 尤 为 重 要 。例 如 ：钛 合 金 与 不 锈
现有 的大多数焊接方法 ，不能保证接 头同时具 有 高 强 度 和 高 塑 性 ，这 是 由于 钛 及 其 合 金 的性 能所 决 定 的。 扩 散 连 接 作 为 一 项 古 老 又 年 轻 的 工 艺 方 法 ，已引 起 了 国 内 外 学 术 界 和 工 程 界 的极 大 关 注 ， 而 真 空 扩 散 焊 是 获 得 与 基 体 金 属 等 强 度 的 钢 与 钛 及 其 合 金 接 头 的有 效 方 法 。尤 其 是 前 苏 联 、美 国 和 Ｅｔ 本 ，在 这 方 面 开 展 了大 量 的研 究 工 作 ，在 理论 和 应 用 上 都 取 得 了一 定 的成 果 。 由于 我 国 的 扩散 焊 研 究 起 步 较 晚 ，对 钛 和 不 锈 钢 的扩 散 焊 接 的研 究大 多仍 旧停 留在 实 验 室 研 究 或 理 论 研 究 的水 平 ，仍 然 没 有 推 广 到 工 业 生 产 中去 。面 对 这 样 的现 状 ，结 合 我 单 位 自身 的条 件 及我 国的 实 际 情 况 ，对 钛 和 不 锈 钢 的 扩 散 焊 接 展 开 了研 究 。 下 文 就 此 项 研 究 内容 作 简要 介 绍 。 ２ 试 验 方 法 ２．１ 试 验 材料 及 试 件 加 工
浅析扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展
浅析扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展摘要：钛合金虽然易加工,能够实施切割、研磨、化铣和幢孔,也可以钎焊和焊接,但对于高性能的用途来说,扩散连接可增加这些钛合金的利用性，扩散连接的必需条件是接合面之间的紧密而均匀的接触，这些接合面就是在严格控制的高温下和延长的时间周期内照此保持接触。
关键词：扩散连接技术；钛合金加工；应用；研究进展引言钛合金的优点有很多，如：强度和比刚度高、耐腐蚀性好以及高温力学性能优良等，因而被广泛应用于航空、航天和其他工业领域。
在一些钛合金复杂结构、薄壁精密结构的制造工艺中，由于扩散焊连接具有独特的优势而愈来愈受到重视，对钛合金的研究也逐渐成为扩散焊领域研究的热点之一。
1扩散焊原理及特点所谓固态的扩散焊接是一种获取整体接头的方式，其是通过高温下材料外表的局部塑性变形使接触面之间紧贴来保障连接材料表层上的互扩散，因而产生了原子量级上的结合，便形成了整体的接头。
扩散焊是在可以控制的压力作用下，把处于紧密接触状态的零件，加热到预定的温度并保温一定时间的过程。
这些条件使两个需要连接的零件的表面产生塑性变形与达到最大程度的接近和原子的扩散，从而保证接头与基体材料的强度相同。
扩散焊具有一系列优点，不需要昂贵的钎料、焊条、熔剂和保护气体;此外，也不需要焊后机械加工，因为没有氧化皮、焊渣和焊瘤，从而消除了昂贵金属的损失;不会增加构件的质量，这一点是其他形式的焊接、钎焊和胶接所无法避免的;零件不会发生翘曲以及连接区的金属性能不会发生变化。
真空扩散焊是获得与基底金属等强度的钛及其合金接头的有效方法之一。
首先，零件的形状及尺寸大小允许应用此方法;其次，允许在接头的周围形成真空和施加压力以保证焊接表面间的紧密接触。
扩散焊与熔化焊的不同之处在于:扩散焊时，连接材料的表面并不熔化，因为焊接温度低于基体金属的熔化温度。
它与钎焊的区别在于，熔化了的中间夹层，在扩散的过程中，完全弥散到被焊接的基体材料中去了。
不锈钢和钛合金异种金属焊接研究进展
不锈钢和钛合金异种金属焊接研究进展作者：曹辉来源：《科学与财富》2018年第08期摘要：钛合金与不锈钢的焊接使用在我国许多行业的发展中都有相当广泛的应用，由于两种金属在许多方面都有本质上的差异。
本文就针对不锈钢和钛合金两种异种金属的焊接情况进行深入的探讨研究，对钛合金与不锈钢的焊接现状做了明确的阐述。
关键词：钛合金；不锈钢；异种金属；焊接技术1 概述钛合金作为一种较为常见的金属具有很多优良的性能，比如它是一种无毒、无磁性、低密度、高强度、高硬度、导热情况差、耐热、耐蚀性的一种金属，相对来说它的化学性质较为稳定。
因此通常钛合金被应用在航空、航天等相对重要的领域。
举例来说，我国在2012年发射成功的天宫一号载人航天飞船，“蛟龙”号深水探测器成功下潜到了深度超越七千米的位置，这科技项目让我国科技一定程度上取得了前所未有的成功。
看似毫无关系的两个科技项目，实际上它们有一个共同点，那就是两个项目的许多方面都应用到了钛合金金属，并且涉及到了焊接技术。
钛合金的使用对于我国各行各业的发展来说尤为重要。
2 对钛合金与不锈钢焊接问题的探讨分析很多情况下，我们需要将钛合金与不锈钢进行焊使用。
在焊接的过程中，主要要根据钛合金与不锈钢之间的差异性和相容性进行分析，当前情况下，对于两种异类金属的焊接问题，有以下几点必须多加注意，首先就是在对钛合金和不锈钢进行焊接的过程中，可能会形成较大的内应力，对焊接产生影响，钛合金与不锈钢的线膨胀系数存在较大差异，在焊接的过程中，由于冷热交替的温度变化，导致了不同程度的变形，从而引起此类问题。
这类问题看似影响不大，可却无法彻底清楚。
然后就是钛和铁两种金属的本质问题。
由于钛与铁的同为互熔度小的金属，在实施焊接的过程中，会发生化学反应，产生一种质地较脆的化合物。
这种化合物的主要成分是TiFe。
在对钛与铁进行焊接时，两种金属相互扩散，一定时间铁在钛中会过度饱和，这时就会生成TiFe化合物。
除此之外，钛与不锈钢中的碳元素在焊接时还会生成TiC，钛还容易与钢管中的铬、镍、铁形成金属间化合物，导致硬度降低，焊接处脆化性增强。
添加Ni+Nb中间层的钛合金与不锈钢扩散焊工艺研究
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ —０ ３ ２ １ ． ． ０ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ５５ ５ ． ０ ３ ０ ９ ｓ １
中 图 分 类 号 ：Ｔ ４ ５； ＧＩ ６ ２ Ｇ ２ Ｔ ４ ． ３
ｌ ℃ ） ２倍 ， ０ 的 焊接 冷却 过程 中接头产 生较 大 内 应力， 两方 面 问题导 致 采 用熔 焊 、 焊 、 擦 焊 以及 钎 摩 爆 炸焊等 方法 均难 以得到 高性能接 头 以及解 决接头
相 容 性 问 题 。采 用 添 加 中 间 层 的 真 空 扩 散 焊 方 法 可
李 鹏 ， 李 京龙 ， 熊江 涛 ， 张赋 升 霍 立 鹏 ，
（ ． 北 工 业 大 学 凝 固 技 术 国 家 重点 实 验 室 ，西 安 ７ ０ ７ ；２ 西 北 工 业 大 学 摩 擦 焊 接 陕 西 省 重 点 文 验 室 ，西 安 ７１０ ２） １西 １０ ２ ． ０７
第 ３ 卷 第 ３期 １
２１ ０ １年 ６月
航
空
材
料
学报 Ｖｏ ． １３１．ＮＯ ３ ． Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩ ＣＡＩ ＭＡＴＥＲＩ ＡＬＳ
Ｊ ｅ ２Ｏｌ ｕｎ １
添 加 Ｎ Ｎ ｉ－ ｂ中 间 层 的 钛 合 金 与 ４ 不 锈 钢 扩 散 焊 工 艺 研 究
相 以及 不能 完 全 阻 止 Ｔ 元 素 穿 过 中 间 层 与 Ｆ ｉ ｅ反 应 ， 度 最 高 达 到 ３ ２ Ｐ ， 必 要 进 一 步 提 高 。 基 强 ２ Ｍ ａ有 于 Ｔ ， ｂ无 限 固 溶 以 及 Ｎ ｉＮ ｂ具 有 熔 点 高 和 原 子 激 活 能 高 的 特 点 ， 以 完 全 阻 挡 Ｔ 元 素 穿 过 中 间 层 与 Ｆ 可 ｉ ｅ
相变扩散连接工艺参数对钛与不锈钢接头强度的影响
１ 实 验 材料 及 方 法
实 验 材 料 为 不 锈 钢 （ ０ ｒ ８ ｌ 、 纯 钛 ０ Ｃ ｌ Ｎｉ０） （ Ａ２ ，试 件 规 格 为 ｄ Ｔ ） ７ｍｍ ０ｍｍ。试 样 表 面 均 ｘ３
上 限 温 度 过 低 ，下 限 温 度 过 高 ，相 变 不 能 进 行 或 不
充分。
［ 摘 要 ］分析 了ຫໍສະໝຸດ 与不锈钢相变扩散连接的工艺参数， 利用万能拉伸试验机测试 了接头拉伸强度， 利用扫描 电
镜 （ Ｅ 及 ｘ射 线衍 射 （ Ｒ 分 析 了接 头 断 口形 貌 及 组 成 相 。结 果 表 明 ：当 连 接 压 力 为 １ ａ Ｓ Ｍ） Ｘ Ｄ） ３ＭＰ 、上 限 温 度 为
高强 度连 接 。
［ 键 词 ］相变扩散连接 ； ； 关 钛 不锈钢
［ 图分 类 号 ］Ｔ ５ 中 Ｇ４ ３
［ 文献 标 识 码 ］Ａ
钛 与 不 锈 钢 的 复 合 构 件 在 航 空 、航 天 、石 油化 工 、医疗 器 械 及 娱 乐 业 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 ＿ ２，开 展 其 连 接 新 工 艺 的 研 究 ，具 有 非 常 重 要 １ ．Ｊ 的 意 义 。相 变 扩 散 连 接 是 一 种 高 效 及 具 有 广 阔 应 用 前 景 的 新 型焊 接 方 法 ，表 面 质 量 要 求 不 高 ，它 具 有 焊 接 强 度 高 、速 度 快 、工 艺 简 单 等 优 点 ， 。国 外 自２ ０世 纪 ７ Ｏ年 代 中 期 ， 国 内 自 ２ ０世 纪 ８ ０年 代 末 、９ ０年代 初 开 始 进 行 相 变 扩 散 连 接 的 研 究 ，主 要 是 进 行 了 铸铁 ［－ ］ 碳 钢 ［ ５ ８、低 、钛 及 钛 合 金 ［ ］ ｉ 、合 ｏ 金 钢 ［ － 等 同 种 材 料 之 间及 异 种 黑 色 金 属 的 相 变 １ ］ １ 扩 散 连 接 。到 目前 为 止 ，对 于 钛 及 钛 合 金 与 不 锈 钢 等 性 能 差别 较 大 、相 互 间 易形 成 脆 性 相 的 异 种 材 料 相 变 扩 散 连 接 未 见 报 导 。本 文 作 者 进 行 钛 与 不 锈 钢 相 变 扩 散 连 接 ，分 析 了影 响接 头 组 织 性 能 的工 艺 因 素 ，测 试 了接 头 拉 伸 强 度 ，观 察 、分 析 了 接 头 断 口 形 貌 及 组 成 相 ，找 到 了合 适 工 艺 参 数 ，为 实 际 应 用
钛合金与不锈钢表面纳米化
图2.5 显微硬度测试位置
材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering
Page 13
2.2.9 X射线衍射试验
用D/MAX-1400型X射线衍射仪对接头断口两侧进行X射线衍射分 析，确定接头断口上存在的物相。试验所用电压为40kV，电流为30mA ，Cu靶，石墨单色器，扫描速度为4.00º/min。
图2.6 电化学腐蚀试样制备图
材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering
Page 15
3 试验结果与分析
3.1喷丸表面金相观察
(a)钛合金
(b)不锈钢
图3.1 经表面自纳米化处理后的金相组织
材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering
表2.2 钛合金与不锈钢酸洗液成分
材料 不锈钢 钛合金
HCl(%) 15 —
HNO3(%) 5 80
HF(%)
— 20
H2SO4(%) H2O(%) 酸洗时间
15
65 室温，10s
—
－ 100℃，30s
材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering
抛.2.2高能喷丸试验
在“荣卓”牌6050B型喷丸机上进行高能喷丸试验，喷嘴距处理表 面的距离d为50mm，喷丸压力为0.6Mpa，弹丸直径为1mm,喷丸时间为 5min。喷丸原理如图2.3所示。在图2.3（a）中，工作仓内的钢丸在 负压作用下被吸附到高压喷枪喷嘴处，钢丸在高压气流的带动下高 速冲击到试样表面，每一颗钢丸冲击到试样表面都使表面发生局
扩散焊接
中间层选择原则
1）容易塑性变形，熔点比母材低。 2）物理化学性能与母材的差异比被连接材 料之间的差异小。 3）不与母材产生不良的冶金反应，如不产 生脆性相或不希望出的共晶相。 4）不引起接头的电化学腐蚀。
扩散连接的设备
扩散连接是在一定的温度和压力下，经过一定的 时间，连接界面原子间相互扩散，实现可靠的连 接。在焊接时，必须保证连接面及被焊金属不受 空气的影响，才能保证得到优质的接头。一般情 况下，必须在真空或惰性气体介质中进行。现在 应用最多的方法是真空扩散连接，它可以焊接活 性金属，也可以焊接一般金属与非金属。真空扩 散连接可以用高频、辐射、接触电阻、电子束及 辉光放电等方法，对工件进行局部或整体加热。
中间层的作用
可以降低连接温度，减少扩散连接时间。例如， Mo直接扩散连接时，连接温度为1260℃，而采 用Ti箔作中间层，连接温度只需要930℃。 控制接头应力，提高接头强度。异种材料连接时， 由于材料物理化学性能的突变，特别是因热膨胀 系数不同，接头易产生很大的热应力。选取兼有 两种母材性能的材料作中间层，形成梯度接头， 避免或减少界面的热应力，从而提高接头强度。
扩散连接技术
近年来，新材料在生产中应用，经常遇到这些材料本 身或与其他材料的连接问题。一些新材料如陶瓷、金 属间化合物、非晶态材料及单晶合金等等可焊性差， 用传统熔焊方法，很难实现可靠的连接。随着技术的 发展，一些特殊的高性能构件的制造，往往要求把性 能差别较大的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢、钛 与钢、金属与玻璃等连接在一起，这也是传统熔焊方 法难以实现的，现在不但要连接金属，而且要连接非 金属，或金属与非金属。因此，连接所涉及的范围远 远超出传统熔焊的概念。为了适应这种要求，近年来 作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重 视，成为连接领域新的研究热点，正在飞速发展。这 种技术已广泛用于航天、航空、仪表及电子等国防部 门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域。
镍钛形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接的研究进展
鎳钛形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接的研究进展鎳钛形状记忆合金(nickel titanium shapememory alloys, Ni-Ti SMA)作为一种金属智能材料，不仅具有特殊的形状记忆效应和超弹性，还具有高强度、良好的耐腐蚀性以及生物相容性，因而，广泛应用于航空航天、海洋开发、仪器仪表以及医疗器械等领域。
随着应用需求的增加，以及产品性能的多样化，单纯的Ni-TiSMA无法满足产品的性能要求,需要将Ni-Ti SMA与其他材料相结合。
例如:N I-T I SMA和不锈钢结合的导引导丝，近端不锈钢支撐性好，易于推送，远端N I-T I SMA丝顺应性妬易于在迂曲血管中行进;Ni-Ti SMA和不锈钢焊接制成的复合矫治弓丝，其中N I-T I SMA丝对错位牙施加合适的矫治力，而不锈钢为非错位牙提供充足的支抗，复合矫治弓丝可明显提高牙齿的正畸效率和减轻患者的痛苦。
导引导丝在人体血管中行进, 需要进入到各种弯曲和狭窄的环境中，通过闭塞环境还会受到很大阻力，若N I-T I SMA与不锈钢的焊点强度不够，可能会发生断裂，使部分导丝断留在人体内，对患者具有很大的生命威胁。
因此，研究Ni- TiSMA与不锈钢的焊接，可充分发挥Ni-TiSMA的优良性能，保障患者生命安全。
焊接是连接异种材料的较好方法，而Ni-Ti SMA与Ni- TiSMA以及Ni-Ti SMA与异种材料的焊接存在很多问题，尤其是Ni- Ti SMA与不锈钢的焊接研究报道较少见。
1存在的问题李洪梅研究发现Ni-Ti SMA与不锈钢直接对焊的焊点平均抗拉强度为184MPa,断口平整且有微裂纹，是典型的脆性断裂oMirshekari 等通过x射线衍射(X-砂diffraction, XRD)分析得出，焊缝区主要是由B2, y-Fe, a-Fe, TiFe, TiFe2, TiCr2, TiNi3 和Ti2Ni 等相构成 (见图2),相比于母材，焊缝区生成了大量的含Ti金属间化合物，这是影响焊点性能的主要因素。
钛/钢连接方法的研究
钛/钢连接方法的研究作者：刘艳李丽来源：《科技创新导报》 2014年第26期刘艳李丽(广东科技学院广东东莞 523083)摘要：钛与钢的物理和结晶化学性能差异较大，直接连接时接头性能较差，焊接存在较大困难。
采用钎焊或用适当的填充材料隔离固态钛与钢的熔化焊和压力焊，可缓解接头中金属间化合物与脆性相的生成，某种程度对接头性能有所改善。
关键词：钛钢连接研究现状中图分类号：TG406 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)09(b)-0091-01钛金属有“未来金属”的美誉，它具有许多其它金属无法比拟的优点：密度小、强度高、耐腐蚀性及耐高温性能好、抗阻尼性能强，且无磁无毒等特点。
钛已成为航空航天工业中不可缺少的结构材料，并正逐步为原子能、化工、造船、电子、电力、冶金、机械等部门所重视。
但钛难于提炼，是贵金属，限制了它的广泛应用。
钢的价格低廉，具有良好的热电性能及力学性能，工程上常用钛-钢异种金属结构。
然而钛和钢间的物理和结晶化学性能差异较大，钛与钢的连接过程中易产生较大的内应力，且连接过程中易生成大量的金属化合物及碳化物，致使焊缝变脆[1]，为钛与钢的焊接带来了较大的困难。
因此，对钛与钢之间焊接性及连接方法的研究具有重大的理论意义和应用前景。
1 钛/钢的主要焊接方法目前，应用于钛/钢连接的方法主要有熔化焊、压力焊和钎焊。
1.1 熔化焊熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。
常规熔化焊方法焊接时，选择合适的添加材料或中间材料能在一定程度上改善接头的性能，但效果有限，这主要是常规熔化焊方法的热输入较大，难以控制金属间化合物的形成和生长。
李标峰[2]研究了TA5钛与1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接性，采用氩弧焊在不加焊丝的情况下进行焊接，试验结果显示，钛-铁的焊缝中产生了大量的TiFe、Fe2Ti脆性相及低熔点共晶组织，严重脆化焊缝，接头力学性能极差。
在此基础上，李标峰[3]用锰青铜作中间填料所得的钛-铌-铜-钢接头的强度值在240～290MPa范围内，断口位置分别在Ti-Nb界面处及Nb层。
以Ti,Ni薄膜为中间层的钛合金与高温合金低温扩散焊研究
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｄ ｉｆ ｓｏｎ ｂ ｄｉ ｆｔｔ ｎｉ ｍ ｌｏ Ａ １ Ｏ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ｐｅ ａ ｌ Ｄ６ ｗ ａ ｎｖ ｓ ｉ ｔ ｄ ａ ｏｗ ｅ ｅ — ｆ ｕ ｉ ｏｎ ｎｇ ｏ ｉａ ｕ ａ ｌ ｙ Ｔ ｔ ｕ ｒ ｌｏｙＤ ５ ｓｉ ｅ ｔｇａ ｅ ｔａ ｌ ｒｔ ｍ
ＺＨ ＯＵ ａ ， ａ — ｏ ， ＡＯ ｅ ， ａ —ａ ｇ。 Ｘ１ Ｙｕ ｎ ＬＩＸｉ ｏ ｈ ｎｇ Ｍ Ｗ ｉ ＢＩＸｉ ｏ ｆ ｎ ， ０ＮＧ Ｈｕａ ｐｉ ， Ｕ ｎ — ｎｇ Ｗ Ｘｉ
（ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆＷ ｅｄｎ ｎ ｏ ｇｎ Ｂｅ ｇ Ｉ ｓｉ ｔ ｆＡｅ ｏ ａ ｔｃ ｌ ａｅ ｉｌ， １Ｌａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ｌ ｉｇ ａ ｄ Ｆ ｒ ｉｇ， ｉ ｎ ｎ ｔｔ ｅｏ ｒ ｎ ｕ ｉａ ｔｒａｓ ｊ ｉ ｕ Ｍ Ｂ ｉｎ ０ ０ ５ Ｃｈｎ ；２ Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ａｅ ｉｌ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ， ｅｊ ｇ １ ０ ９ ， ｉａ ｃ ｏ ｌｏ ｔｒａｓ ｃｅ ｃ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｉ Ｂ ｉａ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉｙ Ｂｅ ｉｇ １ ０ ９ Ｃ ｉ ａ ｅｈ ｎ ｉｅ ｓｔ ， ｉ ｎ ０ １ １， ｈ ｎ ） ｊ
ｔ ｌｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏｆｆｌ ｓ ｄ ｐ ｓｔ ｄ ｏ ｈｅ ｓ ｓ ｒ ｔ ．Ｔｈｅ ｍ ｕ ｔｃ ｙｓ ａ ｔ ｕｃ ｕｒ ｓ ｏ ｅ ｖ ｄ ｆｏ ｂ ｈ ａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｉｍ ｅ ｏ ｉｅ ｎ ｔ ｕｂ ｔ ａ ｅ ｌｉｒ ｔ １ｓ ｒ ｔ ｅ ｗａ ｂｓ ｒ ｅ ｒ ｍ ｏｔ ｐ ｔ ｅ ｎｓ ｏ ａ ｄ Ｎｉ ｉｍ ｓ Ｔｈ ｒ ｕ ａ ｔ ｒ ｆ Ｔｉ ｎ ｆｌ ． ｅ ｏ ｇｈｎ ｓ ｈ ｓ ｅ ｓ ｏｆ ｔ ｅ ｕｂｓ ｒ ｔ ｗａ ｅ ａ ｎ ｄ ｖ ｔａ ｅ ｓ ｘ ｍｉ ｅ ｂ ＡＦＭ ． Ｔｈ ｒ ｓ ｔ ｅ ｅ ｕｌｓ
钛合金和不锈钢连接技术进展研究
１ １４ ６０２
工
２１ ０ ０年 第 ３帮 ｛ Ｉ ５期 总 ３
ｉ＠ ｃｈ Ｏ ｓ ｆ ｉ ｍ ｃ
鬣 ｉ 一 鼍 热 枷 Ｉ ； 。 ０ 囊 § ｊ
薯 ｌ ｌ
｜ 。 鬻 ｊ
｜
接 ，但 由于接 头太脆 没 有成 功 。 国 内洛 阳船 舶研 究 所也 采用 手工 氩弧 焊进 行过
以下几 个方 面 ：
明在 ８０ ５ ℃温 度下 进 行 焊接 得 到试 件 的拉伸 强 度 达
到 最 大 ，为 ２ ２ＭＰ 。在 反 应 区形 成 的 Ｏ、Ｆ ２ ｉ ４ ａ － ｅＴ、
（）整 个过 程都 在真 空 中进行 ，适 合钛 合金 这 １
ＦＴ 和 Ｆ２ｉ ｅｉ ｅ 一 些 脆性 的金 属 间相 导 致 接 头 连 Ｔ Ｏ等 接强 度 降低 １ ２ １ 。 此 外 ，他 们 还 采 用 ｃ ｕ和 Ｎ 作 为 中 问层 进 行 ｉ
料 时 ，Ｔ — Ｆ ｉＶ— ｅ接 头 性 能 取 决 于 Ｖ— ｅ接 头 的 质 Ｆ 量 ，如果 Ｖ Ｆ 接 头质 量 好 ，整 个 接 头可 获 得满 意 —ｅ 的性能 ，也 不会 产生 脆性 断 裂 Ｉ １ ］ 。
２２ 扩 散焊 ．
３ 钛合金和 不锈钢 真空热轧焊接研 究
为 了能使钛 合 金和 不锈 钢 的连接 接头 有更广 泛 的应用 ，我 们采 用一 种新 方 法真 空热 轧焊接 进行 焊
化物 形成元 素 ，在焊接 时会形 成脆 ｌ 生的金属 间化合 物 ，如 ＴＦ 、ＴＦ ２ ｉＦ 等 ，使接 头脆 化 ，塑性 ｉｅ ｉｅ 、Ｔ２ ｅ
发 挥 两 种 材 料 在性 能 和 经 济 上 的优 势 。所 以如 何 实现 钛 合 金 和不 锈 钢 两 者 高 质量 的连 接 也 就 成 了
钛合金焊接研究浅析
钛合金焊接研究浅析摘要：钛合金已广泛应用于航空、造船、化工、石油等领域。
本文主要通过钛合金材料焊接性的分析，以及不同焊接工艺条件下钛合金焊接组织与性能的变化，反应钛合金焊接研究现状。
关键词：钛合金；焊接性；组织性能钛合金的突出优点是密度小、强度高、耐高温、和耐腐蚀，具有较好的韧性。
随着科技的发展，先进的焊接结构要求降低材料消耗，减轻结构重量，具有以上优点的钛合金有着广阔的应用前景。
则钛合金的焊接性和对于各种焊接方法的适应性就成为了钛合金焊接研究的一个重点内容。
1.钛合金焊接性分析焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。
包括两个含义：其一是结合性能；其二是使用性能。
钛合金焊接性主要取决于氧、氮、氢等杂质含量、合金元素含量和焊接热循环。
钛在常温下能与氧反应生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。
但在焊接热循环作用下，钛与氧、氮、氢反应形成间隙固溶体化合物，使焊接接头塑性和韧性降低，引起焊接点脆化。
O、N等杂质虽然不能改变晶体结构，但常处在晶格的间隙位置，阻碍位错移动，显著提高钛的硬度和强度。
如果焊缝中含氢量过多，会析出细片状或针状的TiH引起应力集中，使焊缝冲击韧度显著降低。
2.钛合金焊接方法及研究现状针对钛合金的焊接性特点，可用于钛合金的焊接方法有熔化焊接、固相焊接及钎焊。
钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方式在钛合金的焊接中应用广泛。
2.1 TIG焊TIG焊是钛合金焊接中应用最广泛的一种方法。
焊接过程中钨极不熔化，由焊枪的喷嘴送进氩气作为保护气体，还可根据需要添加填充金属。
但是钨极氩弧焊焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大，焊缝中会产生气孔以及夹钨等缺陷，易出现因气体保护不良而影响焊缝质量的问题，因而不适合焊接薄板钛合金。
2.2 MIG焊MIG焊熔深大，主要用于焊接钛合金厚板，可以减少焊接工序，提高焊接速度，降低生产成本，也可减少焊缝气孔。
脉冲加压扩散连接工艺参数对钛合金与不锈钢接头强度的影响
第26卷 第4期2006年8月 航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUTI CA L MATER I ALSVol .26,No .4Aug ust 2006脉冲加压扩散连接工艺参数对钛合金与不锈钢接头强度的影响袁新建1,盛光敏1,2,秦 斌1,周 波1,黄家伟1,黄文展1,李 聪2,邱绍宇2(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044;2.核燃料及材料国家重点实验室,成都610041)摘要:采用脉冲加压扩散连接工艺对T A17钛合金与0Cr18Ni9Ti 不锈钢进行了连接试验。
利用液压万能试验机测试了接头拉伸强度,分析了脉冲加压扩散连接工艺参数对接头强度的影响。
结果表明:当连接温度为1098K 、脉冲最小压力P min =8MPa 、脉冲最大压力P m ax =50M Pa 、脉冲次数为20次、脉冲频率为0.5Hz 时,加热速度v h =30K/s,冷却温度v c =5K/s,得到最高的接头拉伸强度为293M Pa,连接所用的有效时间仅为220s,实现了钛合金与不锈钢的高效良好连接。
利用X 射线衍射(X RD )及扫描电镜(SE M )分析了接头组成相及断口形貌,接头界面主要存在β2钛、Fe 2Ti,FeTi,拉伸试验中β2钛的固溶体承担了主要的拉伸力。
关键词:脉冲加压;扩散连接;钛合金;不锈钢;接头强度中图分类号:T G453.9 文献标识码:A 文章编号:100525053(2006)0420051205收稿日期:2005204204;修订日期:2006203203基金项目核燃料及材料国家重点实验室及重庆市应用基础研究资助项目()作者简介袁新建(—),男,硕士研究生,(2)q _y@ 钛及钛合金比强度高、耐蚀性能好;而不锈钢价格较低,是工业上较常用的一种材料。
钛及钛合金与不锈钢的复合构件,能充分发挥两者在性能上与经济上的优势互补[1]。
因此,在航天航空、国防及化学工业等部门也有着广阔的应用前景,开展其连接新工艺的研究,具有非常重要的意义。
(材料加工工程论文)tc4钛合金与1cr18ni9ti不锈钢的扩散焊接工艺研究
南京航空航天大学硕士学位论文TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊接工艺研究姓名：张秋峰申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：谢兰生20080101南京航空航天大学硕士学位论文iv摘要研究钛合金与不锈钢异种金属的焊接，对于合理、充分、高效地利用钛合金材料具有重要意义，同时为综合发挥两种合金各自优良的性能，提高相关产品的适用性开辟了一条新的途径。
本文研究了TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的恒温恒压扩散焊接、超声波加载扩散焊接和相变超塑性扩散焊接三种不同的扩散焊接工艺。
在恒温恒压扩散焊接试验中，研究了焊接温度、焊接压力、焊接时间对接头性能的影响，确定了焊接的最佳工艺参数：T=880℃、 P=10MPa、t=30min；在超声波加载扩散焊接试验中，研究了加载次数对焊接接头性能的影响，确定了最佳工艺参数：T=880℃、P=10MPa、t=30min、N=10次；在相变超塑性扩散焊接试验中，研究了循环上限温度Tmax对接头性能的影响，确定了焊接的最佳工艺参数：Tmin=800℃、Tmax=890℃、P=10MPa、N=30次。
本文分析了扩散焊接的界面结合过程，找到了提高焊接质量的方法。
分析了三种不同的扩散焊接工艺，通过对比它们的最佳接头的金相照片、线扫描照片和显微硬度分布图可以得知：在扩散焊接中超声波加载和循环相变确实能起到促进扩散和提高焊接质量的作用。
关键词：钛合金，不锈钢，扩散焊接，相变，超声波加载TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊接工艺研究ABSTRACTStudying the conjunction of titanium alloy and stainless steel is significant for reasonably, efficiently and fully using titanium alloy. It also develops a new way to synthesize the good properties of two alloys and improve the applicability of the correlative products.The certain temperature and pressure solid-state diffusion process, ultrasonic concussion solid-state diffusion bonding process and phase transformation super plastic diffusion bonding process of the three different proliferations of bonding technology between TC4 titanium alloy and 1Cr18Ni9Ti stainless steel are investigated in this paper. The parameters of bonding temperature, bonding pressure, bonding times’ effect on the quality of joints are determined and found the optimal bonding parameters are T = 880°C, P =10MPa, t =30 min under the certain temperature and pressure solid-state diffusion process; The parameter of the loading times’ effect on the quality of joints are determined and found the optimal parameters are T = 880° C, P = 10MPa, t = 30 min, N = 10 under the ultrasonic concussion solid-state diffusion bonding process; The parameter of the maximum temperature cycle T-max’s effect on the quality of joints are determined and found the optimal bonding parameters are T-min = 800°C, T-max = 890° C, P = 10MPa, N = 30 under the phase transformation super plastic diffusion bonding process.The methods to improve the quality of bonding are found through the discussion of the interface diffusion bonding process. The cycle phase transformation and ultrasonic pressing can really play a role in promoting diffusion bonding by comparing the best joints of the three different bonding processes’ phase photographs, line scanning photos and micro hardness distribution maps.Key Words: Titanium Alloy, Stainless Steel, Diffusion Bonding, Phase Transformation Super Plastic, Ultrasonic Pressingv南京航空航天大学硕士学位论文viii图清单图2. 1试样的微观组织形态 (11)图2. 2扩散焊接设备 (12)图2. 3超声波焊接机的组成图 (13)图2. 4恒温恒压扩散焊接和超声波加载扩散焊接示意图 (17)图2. 5相变超塑性扩散焊接示意图 (18)图2. 6 恒温恒压扩散焊接工艺示意图 (19)图2. 7超声波加载扩散焊接工艺示意图 (19)图2. 8相变超塑性扩散焊接工艺示意图 (20)图2. 9 计点法测量网格 (21)图3. 1不锈钢和钛合金接头的宏观形貌 (23)图3. 2典型焊接接头金相照片(T=880℃ ,P=10MPa, t=30min) (23)图3. 3为不同温度条件下焊接接头的金相照片（P=10MPa, t=30min） (25)图3. 4不同压力条件下焊缝的金相照片（T=880℃,t=30min） (27)图3. 5不同保温时间下的焊接接头金相照片（T=880℃ ,P=10MPa） (28)图3. 6不同保温时间下焊接接头对应的钛合金组织（T=880℃ ,P=10MPa）29图 3. 7不同超声波加载次数下焊接接头金相照片（P=10MPa，T=880℃，t=30min，f=20KHz） (31)图3. 8不锈钢和钛合金接头的宏观形貌 (33)图3. 9焊接接头的金相照片（Tmin＝800℃，Tmax＝890℃，P=10MPa ,N=30次） (34)图 3. 10齿顶焊缝组织扫描电镜图片（Tmin＝800℃，Tmax＝890℃，P=10MPa ,N=30次） (34)图 3. 11齿根焊缝组织扫描电镜图片（Tmin＝800℃，Tmax＝890℃，P=10MPa ,N=30次） (35)图3. 12氩气保护焊接下出现的气孔 (36)图3. 13含不同成分气体的界面气孔变化过程 (37)图3. 14不同循环上限温度下的金相照片(P=10MPa ,N=30次, Tmin＝800℃)38图4. 1两表面间接触的空间示意图 (40)TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊接工艺研究图4. 2界面接合过程示意图 (41)图4 .3界面金属间化合物长大过程示意图 (42)图4. 4扩散机制 (44)图4 .5三种扩散焊接接头的金相组织 (46)图4. 6恒温恒压扩散焊接接头的扫描电镜图片 (46)图4 .7超声波加载扩散焊接接头的扫描电镜图片 (47)图4. 8相变超塑性扩散焊接接头的扫描电镜图片 (47)图4. 9不同焊接工艺下焊接接头的硬度分布曲线 (48).ix承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
Ti2AlNb合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析
第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):024 - 028 2 0 1 8 年 2 月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION February2018Ti2AINb合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析蔡小强，王颖，杨振文，王东坡(天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津300072)摘要：采用Ti/Ni作为中间层实现了 A A lN b合金的连接（transient liquid phase，TLP)，研究了 TLP连接接头的 界面组织及其形成机制，并且分析了不同保温时间对接头界面组织和力学性能的影响规律.结果表明，T〇AlNb合 金TLP连接接头主要表现为等温凝固区和冷却凝固区两个明显的特征区域.接头的典型界面组织为T/AlNb/B2/ Nb!Al+B2 V)V A N/AAlNb.随着保温时间的延长，接头中Nb!A l和^Ni相消失，）相不断减少，B2相不断增 多.当连接温度为1 180 O,保温时间为20 min时，接头的室温抗剪强度最大，达到428 MPa，高温（650 O)抗剪强 度达到407 M Pa.接头的断裂主要发生在冷却凝固区的）相上.关键词：钛铝铌合金；瞬时液相扩散连接；界面组织；高温性能；抗剪强度中图分类号：T6 454 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.20183900340序 言以有序正交结构O相作为主要构成相的Ti2Al-Nb合金，自1988年Banerjee等人%1]首次发现以来，引起了广泛的关注和研究.Ti2AlNb合金具有较高 比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具有较 好的抗氧化性、无磁性等优点，可在600 ~ 800 O长 时间使用、1 〇〇〇O以上短时间使用.这些优异的性 能使TiiAlNb合金成为航空航天领域具有广阔应用 前景的新型轻质耐高温材料%2].由于航空航天部件 结构复杂，实现TiiAlN b自身的可靠连接将成为此 类材料推广应用的关键问题.目前用于钛合金的连接方法主要有熔焊%3]、钎 焊[4]、摩擦焊%5]、扩散连接%6-7&等.其中熔焊在焊后 快速冷却过程中易出现固态裂纹.钎焊接头的高温 性能较差，所以钎焊接头的使用温度受限.摩擦焊 Xt试样自身具有较高的要求.对于扩散连接来说，由于长时间处于较高压力作用下使得母材的力学性 能降低.而且当结构件大且复杂时，扩散连接工艺 将受到很大限制.TLP连接技术综合了钎焊和固相 扩散连接两者的优点，既能在较低温度下实现冶金 连接，又能获得高性能，特别是高温力学性能的接 头[8].邹贵生等人[9]采用Ti-15Cu-15N i合金薄带作收稿日期：2016 -05-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（51574177)中间层，研究了 Ti2AlNb合金的TLP连接，获得了较 好的室温和高温强度的接头.相比于Ti-15Cu-15N i 体系，Ti-Ni体系作为中间层也具有较好的高温性 能[10].文中采用Ti/Ni作为中间层对TizAlNb合金 进行TLP连接，研究接头界面组织的形成以及保温 时间对接头组织及性能的影响规律.1试验方法试验使用的母材为TiiAlNb合金，其名义成分 为 Ti-21Al-23Nb-0. 4M〇(原子分数，d).图 1a，1b 分别显示Ti2AlNb合金的室温微观组织形貌和XRD 分析结果.可以看到，Ti2AINb合金室温组织由（相、B2相和O相组成，其中（相和O相弥散分布于 B2相基体上.母材在室温和650 O的抗拉强度分别 为1 185和1 030 MPa.用电火花线切割机床将T i2 AINb合金母材加工成块状，其中尺寸为5 m m X 5 m m X5 mm的母材置于上方，尺寸为15 m m X10 mmx3 mm的母材置于下方.中间层材料采用纯钛 和镍箔，厚度均为60 !m，置于母材之间.连接前将 待连接试件表面依次用200号到2000号砂纸水磨，放在丙酮中超声清洗、烘干.TLP连接在真空炉中 进行，连接温度为1 180 O，保温时间为5 ~ 120 min.连接过程中，在安装试件上施加3 kPa的压力以保 证试样之间的紧密接触.在整个连接过程中真空度 不低于 2.0 X10-3Pa .第#期蔡小强，等:Ti2A：b合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析25(a)母材显微组织形貌衍射角20/(° )(b)母材X射线衍射图图1Ti2AINb母材的显微组织形貌及X射线衍射图Fig. 1Microstructure and XRD pattern of Ti2AIIM b alloy连接后的试件，经200号到2000号砂纸水磨，绒布拋光后，用 〇. &H F- 1. 2HN03 - 5HC1 - 93H#0 (ml)进行腐蚀.采用扫描电镜（SEM，FEI Nan。
TC4钛合金与316L不锈钢的异种金属真空扩散焊接方法[发明专利]
![TC4钛合金与316L不锈钢的异种金属真空扩散焊接方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/947a7fe1370cba1aa8114431b90d6c85ec3a886e.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010158727.8(22)申请日 2020.03.09(71)申请人 西南交通大学地址 610031 四川省成都市二环路北一段111号(72)发明人 蒋小松 张亚丽 孙大明 谭文悦 高奇 莫德锋 李雪 (74)专利代理机构 北京市领专知识产权代理有限公司 11590代理人 张玲(51)Int.Cl.B23K 20/00(2006.01)B23K 20/227(2006.01)B23K 20/24(2006.01)B23K 103/24(2006.01)(54)发明名称TC4钛合金与316L不锈钢的异种金属真空扩散焊接方法(57)摘要本发明公开了一种TC4钛合金与316L不锈钢的异种金属真空扩散焊接方法，属于金属材料焊接技术领域，其步骤包括试样表面清理、试样放置和扩散焊接，其中，试样包括待焊接件TC4钛合金和316L不锈钢，还包括中间夹层钒箔、铜箔和钴箔，扩散焊接时，优选采用两次保温保压；本发明通过调整扩散焊接温度、时间和压力等参数以及夹层厚度、夹层种类和数量，可在焊缝处形成过渡固溶体，从而阻止钛、铁元素相互扩散，避免脆性钛铁金属间化合物的形成。
该方法所得焊接接头具有抗拉伸强度高，延展性好，无孔隙及裂纹等优点。
权利要求书1页 说明书9页 附图2页CN 111299796 A 2020.06.19C N 111299796A1.一种TC4钛合金与316L不锈钢的异种金属真空扩散焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)试样表面清理：对TC4钛合金和316L不锈钢待焊接表面进行清理，并对中间夹层材料钒箔、铜箔和钴箔进行表面清理；所述钒箔的厚度为85-115μm，所述铜箔的厚度为15-45μm，所述钴箔的厚度为35-65μm；(2)试样放置：将步骤(1)所得的表面清理干净的TC4钛合金、316L不锈钢、钒箔、铜箔和钴箔按照顺序对接放置，顺序为：TC4钛合金-钒箔-铜箔-钴箔-316L不锈钢，或316L不锈钢-钴箔-铜箔-钒箔-TC4钛合金；(3)扩散焊接：将步骤(2)所得的按照顺序叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，然后进行扩散焊接；步骤(3)中，保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15-30MPa，使得夹层和金属之间紧密接触，随后进行卸压；进行两次保温保压。
钢与钛合金焊接
钢与钛及其合金的焊接
3、钢与钛及其合金的焊接工艺
（2）钢与钛及钛合金真空电子束焊 钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用Nb和青铜作 为填充材料，可以获得不出现金属间化合物的焊缝，接头 强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现裂纹和其缺陷。如 果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚至出现裂 纹。这些中间层的合金有V+Cu、Cu+Ni、Ag、V+Cu+Ni、 Nb和Ta等，采用中间层的焊接工艺比较复杂，一般应用的 较少。钢与钛及钛合金的真空电子束焊之前，必须对钛的 表面进行清理，即对端面用不锈钢丝刷或机械加工之后再 进行酸洗，用水冲洗干净，其酸洗液见表24。
1、钛合金特点、分类及性能 钛合金
钛合金：加入Al、稳定相，中性元素Sn、Zr。 加入Al 5％，再结晶温度600 ——800 ，耐热性提高，减少H的敏感性， 过多（7％），Ti3Al相——脆性。 钛合金高温强度高、韧性好，抗氧化能力强，焊接性好，组织稳定， 但加工性比钛合金和＋钛合金差，不同进行热处理强化，只是 600 ℃——700 ℃退火消除加工硬化， 500 ℃——600 ℃不完全退火消除 焊接残余应力。 钛合金：含有稳定元素，含Mo、V、Cr。通过时效热处理，单一 相加工性能良好，但高温性能差，焊接性很差，易于形成冷裂纹，焊接 结构中很少用。
钢与有色金属的焊接－3
褚志勇
钢与钛及其合计的焊接
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金特点、分类及性能
特点： 钛及钛合金密度小，热膨胀系数小（4.5 g/cm-3），道导热性差，摩擦系 数大，弹性模量较低，不利于结构的刚度。工业纯钛有很高的化学活 性，生成致密氧化膜，在不同条件下(酸、碱、温度)有很好的耐蚀性 （<500 ）。 强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出 的特点是比强度高。 因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛应 用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。 因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切。
基于Ta过渡层的钛与不锈钢电阻点焊
基于Ta过渡层的钛与不锈钢电阻点焊邱然锋;侯龙龙;李丹;石红信;郭俊卿【摘要】以Ta作为中间过渡层对纯钛与不锈钢SUS304进行电阻点焊.观察分析接合界面区反应层形貌及分布等微观组织特征,探讨焊接电流对熔核尺寸和接头抗剪力的影响.在接头中的Ta/SUS304界面生成了FeTa和含Fe量不同的Fe-Fe2Ta 共晶组织.在焊接电流为14 kA时,获得的接头抗剪力最大,为7.4 kN.结果表明,在钛与不锈钢的电阻点焊中,使用中间过渡层Ta能够有效提高焊接接头的强度.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2016(046)007【总页数】4页(P13-16)【关键词】纯钛;不锈钢;中间过渡层;电阻点焊【作者】邱然锋;侯龙龙;李丹;石红信;郭俊卿【作者单位】河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;有色金属共性技术河南省协同创新中心,河南洛阳471003;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003【正文语种】中文【中图分类】TG453+.9随着新材料及现代工业的发展，单一金属结构通常很难满足工业生产的需求，因此异种材料连接的复合结构是结构设计的发展趋势[1]。
钛及钛合金具有优良的耐腐蚀性、高的比强度及较好的耐热性和加工性，广泛地应用于航空、航天、化工及冶金等各个领域，但其价格昂贵，制约了钛及其合金在工业中的推广应用；不锈钢是最常用的结构材料之一，具有一系列优良的性能。
钛与不锈钢的焊接构件综合了两种材料的优点，既能降低成本，又可提高系统结构的可靠性，因此，钛与不锈钢异种金属的连接将是不可或缺的。
但由于钛与不锈钢两者在物理、冶金性能方面存在很大差异且焊接中易生成脆性的金属间化合物，严重恶化了接头的力学性能，从而制约了两者的有效连接。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第31卷 第3期2011年6月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o l 131,N o 13 June 2011添加N i+Nb 中间层的钛合金与不锈钢扩散焊工艺研究李 鹏1,2, 李京龙1,2, 熊江涛1,2, 张赋升2, 霍立鹏2(1.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072;2.西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室,西安710072)摘要:分别采用常规工艺和阶梯状工艺的方法,对添加N i+N b 复合中间层的T C4钛合金与1Cr18N i 9T i 不锈钢真空扩散焊进行了研究。
利用光学显微镜(OM )、扫描电镜(SE M )以及能谱分析(ED S)对接头的组织结构、元素分布进行了分析,测试了接头的力学性能并分析了断口形貌和元素分布。
结果表明,通过添加N i+N b 中间层成功阻止了F e -T i 金属间化合物生成,接头界面过渡区组织自不锈钢侧依次为Fe -Cr -N i 固溶体、N -i N b 反应层、剩余N b 及N b -T i 固溶体。
阶梯状工艺下接头的结合质量明显优于常规工艺下的接头,在阶梯状工艺上限温度900e 条件下接头抗拉强度达到了396M P a ,断口分析表明,接头断裂于N -i N b 形成的反应层,该反应层是由N i 3N b 和少量N i 6N b 7金属间化合物组成的混合层,为接头过渡区关键环节。
关键词:扩散焊;钛合金;不锈钢;N i+N b 复合中间层DO I :1013969/j 1i ssn 11005-505312*********中图分类号:TG425;TG 146.2+3 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2011)03-0046-06收稿日期:2011-11-25;修订日期:2011-03-18基金项目:凝固技术国家重点实验室(西北工业大学)自主研究课题(43-Q P -2009,31-TP-2009)作者简介:李 鹏(1986)),男,博士研究生,现主要从事先进材料的连接研究工作(E -m a il)l px_19860505@163.co m 。
TC4钛合金具有比强度高、热稳定性好、重量轻等优点,但价格较高,1C r18N i 9T i 不锈钢具有优异的机械性能、耐腐蚀性和耐高温性,同时价格低廉。
二者构成的复合构件能充分发挥两种材料在性能上和经济上的优势互补[1],在航空、航天、化工以及海洋油田等领域的关键部件制造中应用广泛[2]。
众所周知,钛合金和不锈钢焊接时存在两方面问题:一是TC4中的T i 元素在焊接过程中易和1Cr18N i 9T i 中的Fe ,C 元素形成T i F e ,T i F e 2,Fe 2T i 4O 及T i C 等脆性的金属间化合物[3],二是1C r 18N i 9T i 线膨胀系数(19@10-6e-1)约为TC4线膨胀系数(8.8@10-6e -1)的2倍,焊接冷却过程中接头产生较大内应力,两方面问题导致采用熔焊、钎焊、摩擦焊以及爆炸焊等方法均难以得到高性能接头以及解决接头相容性问题。
采用添加中间层的真空扩散焊方法可以解决以上难题,从而获得性能优异的焊接接头。
目前报道的扩散焊接钛及钛合金与不锈钢的中间层主要有N i [4],Cu[2,5],A l[6,7]以及N i+Cu[8,9]等,研究中发现这些中间层组配与母材会生成复杂脆性相以及不能完全阻止T i 元素穿过中间层与Fe 反应,强度最高达到322MPa ,有必要进一步提高。
基于T ,i Nb 无限固溶以及Nb 具有熔点高和原子激活能高的特点,可以完全阻挡T i 元素穿过中间层与Fe 元素发生反应,另外,N i 与Nb 反应生成金属间化合物种类较少,且生成的金属间化合物N i 3Nb 在室温下具有较高的强度与塑性(沿[110]方向的抗拉强度可达到500MPa ,延伸率高达17.5%[10]),同时,N i和不锈钢有很好的相容性[4],因此,N i+Nb 中间层组配成为扩散焊接二者的优选方案。
李鹏等人[11]研究了50L m 纯N i 箔+10L m 纯Nb 箔复合中间层扩散焊接工业纯钛TA2与1Cr18N i 9T i 不锈钢,结果表明,N i 箔厚度太大成为了制约二者之间优异接头获得的主要因素,且工艺规范较为简单,导致结果并不理想。
基于以上的分析,本工作继续选择以N i+Nb 组配作为中间层对TC4与1C r18N i9T i 进行扩散连接,研究了不同扩散焊工艺对接头界面结合、组织结构的影响,测试了接头的力学性能,并对接头以及断口微观组织和成分分布进行了分析。
1 试验方案试验所用材料为市售TC4钛合金和1C r 18N i9T i 不锈钢,化学成分列于表1中。
中间层材料为厚度第3期添加N i+Nb 中间层的钛合金与不锈钢扩散焊工艺研究10L m 的N i 箔和Nb 箔,纯度均为99.9%。
表1 试验材料的化学成分(质量分数/%)T able 1Che m ica l co m position o f 1C r18N i 9T i and TC4(m ass fraction /%)M ate rials C F e T i M n Si SPCr N i O A l V TC40.100.30B a.l))))))0.206.103.951Cr18N i 9T i0.12Ba.l0.802.001.000.0300.03518.78.42)))将TC4和1Cr18N i T i 分别加工成<30mm @3mm 的圆片状试件用于接头分析,以及<30mm @30mm 的圆柱状试件用于接头拉伸强度试验。
将TC4和1C r 18N i9T i 的待焊面用1500#S i C 水砂纸打磨光滑,用K eller 试剂(HF,H C ,l HNO 3,H 2O 分别为1mL ,1.5mL,2.5m L 和95mL)清洗去除TC4氧化膜,经去离子水清洗后,将其与1Cr18N i 9T i 和中间层材料N i 箔、Nb 箔一起置于无水乙醇中超声波清洗5m in ,冷风吹干备用。
扩散焊设备为真空辐射加热扩散焊炉(FJ K-2型,西北工业大学)。
实验采用1C r18N i9T i/N i/Nb /TC4的装卡顺序,将圆片状分析试样以及圆柱状拉伸试样一起沿轴向叠放入炉腔内上下压头间并加压,两组试样之间加阻焊层。
随后以图1所示常规工艺参数即以10e /m i n 升到900~950e ,压力3MPa ,保温60m i n ,另外一组以图2所示阶梯状工艺参数即以10e /m in 升到800e ,压力10M Pa ,保温60m in ,随后升到880~960e ,压力1M Pa 和保温时间30m i n进行焊接。
图1 常规工艺示意图F i g .1 Conventiona l processi ng param eters焊接结束后,圆片试样焊后垂直焊缝切割,经打磨、抛光后,用10m H l F +10m H l NO 3+60m H l 2O 溶液及5gFe C l 3+15m H l C l +60m H l 2O 溶液分别腐蚀TC4和1C r 18N i9T i 后,利用光学显微镜(OM,O-LYMPUS -P MG3)和扫描电镜(SE M,JS M-6390A )进行接头显微组织分析,用扫描电镜上配备的能谱仪进行接头成分分析。
焊后试样按照国家标准GB /T2651)2008加工成标准拉伸试样,在Instron3382图2 阶梯状工艺示意图F i g .2 L adder -li ke process i ng para m eters型电子万能材料试验机上以0.5mm /m in 的加载速率进行拉伸试验,拉伸断口采用扫描电镜及能谱仪进行断口形貌和元素分布分析。
2 结果与分析2.1 工艺参数对接头界面结合质量的影响图3所示为常规工艺下接头金相照片,可以看出,母材TC4与中间层Nb 之间及中间层N i 与Nb 之间的结合均良好,没有发现明显孔洞,而母材1Cr18N i 9T i 与中间层N i 之间依然残留有间断的长条状孔洞,且900e 条件下的接头空洞数量明显多于950e 下的数量,这些孔洞的存在将成为裂纹源,直接影响接头的结合质量及其力学性能。
结合图4所示TC4与1C r18N i 9T i 的屈服强度-温度变化曲线可知,随着温度的升高,两者的屈服强度不同程度的降低,使得材料表面的凸起越容易被压扁,并且温度越高其蠕变性能越好,从而在焊接过程中更容易使界面孔洞减小。
常规工艺950e 条件下孔洞仍没有完全消失,究其原因,从1C r 18N i9T i 的屈服强度-温度变化曲线可推知焊接温度下1Cr18N i 9T i 的屈服强度约为几十M Pa ,而真空扩散连接中施加的压力为3MPa ,此时还不能完全使1Cr18N i 9T i 表面凸起屈服而被压扁,以至于界面上残留下的孔洞在保温阶段结束后仍留在中间层N i47航 空 材 料 学 报第31卷图3 常规工艺参数接头金相照片F ig .3 Optical m icrog raphs o f t he j o i nts bonded by conventi ona l processing m ethod at 900e (a)and 950e (b)图4 TC4与1Cr18N i 9T i 屈服强度-温度变化曲线[12]F i g .4 Y ield streng ths of TC4and 1C r18N i 9T i asa functi on of te m pe rature与母材1C r18N i9T i 之间。
可见,致使界面孔洞存在的主要因素是施加的压力不足以使1Cr18N i 9T i 界面凸起产生大的塑性变形,这就需要增大压力。
然而,高温下增大压力会使TC4产生宏观大变形。
为解决此问题,本研究将工艺分成两步:首先在TC4变形不严重的稍低温度下使用大的压力使接头界面紧密结合,然后升高温度降低压力使原子进行充分扩散。
TC4的再结晶开始温度为850e ,结束温度为950e[12],由于在再结晶温度以上金属材料难以承受较高的压力,因此下限温度要应低于850e 。
从图4曲线可以推测出,800e 下TC4的屈服强度约为40MPa ,1C r18N i9T i 的屈服强度约为98M Pa ,在下限温度800e 施加10M Pa 的压力既能使界面产生塑性变形而被压实,又能使TC4在宏观上不发生大的变形。
图5所示为几组阶梯状工艺焊接接头金相照片,可以看出,采用阶梯状工艺参数方法后得到了可靠接头,位于N i 与1C r18N i 9T i 之间的接头界面孔洞几乎完全消失,中间层与母材之间结合良好,接头结合率几乎达到了100%。