加鎳過渡層鈦合金/不銹鋼網(wǎng)擴(kuò)散連接技術(shù)

分析了鈦及鈦合金與不銹鋼的物理化學(xué)性能的差異對連接接頭性能的影響以及鈦合金與不銹鋼焊接接頭的性能,綜述了國內(nèi)外鈦及鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散連接的發(fā)展現(xiàn)狀,展望了表面自納米化技術(shù)在鈦及鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散連接上的運(yùn)用及發(fā)展。

采用納米ni粉、納米ni鍍層、ni箔作中間過渡層,對ta17近α型鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進(jìn)行了脈沖加壓擴(kuò)散連接,接頭抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了175,212,334mpa。在金相顯微鏡下,對拉伸斷口形貌進(jìn)行了觀察和分析;利用掃描電鏡(sem)、能譜儀(eds)、x射線衍射分析(xrd)測定了連接接頭各區(qū)域內(nèi)的微區(qū)成分和物相。結(jié)果表明,納米ni粉致密度不夠高,納米ni鍍層質(zhì)量不夠高,在很大程度上限制了接頭強(qiáng)度的提高;ni箔中間層的存在成功地阻止了fe與ti之間的互擴(kuò)散,避免了形成脆而硬的fe-ti系金屬間化合物。

對ta17鈦合金與1cr18ni9ti不銹鋼的焊接接頭強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用恒溫恒壓擴(kuò)散焊、相變超塑性擴(kuò)散焊和脈沖加壓擴(kuò)散焊實(shí)現(xiàn)了鈦合金和不銹鋼的焊接,測試了焊接接頭的強(qiáng)度,并對接頭進(jìn)行了金相觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn):3種接頭的強(qiáng)度都達(dá)到了264mpa,且接頭為多層次的多相組織。物相分析發(fā)現(xiàn)鈦合金不銹鋼接頭中存在fe2ti和σ(fecr)兩種脆性金屬間化合物。脈沖加壓擴(kuò)散焊能促進(jìn)擴(kuò)散過程,減少金屬間化合物的形成,改善其分布,是一種較有前景的擴(kuò)散焊方法。

采用純鎳箔作中間過渡層,在脈沖加壓擴(kuò)散連接工藝下,對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進(jìn)行了連接試驗(yàn),并測定了接頭的拉伸強(qiáng)度。結(jié)果表明:采用鎳箔作中間過渡金屬的脈沖加壓擴(kuò)散連接,實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的高效良好連接,接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了334mpa。采用金相顯微鏡和掃描電鏡,對拉伸斷口形貌進(jìn)行了觀察和分析;利用能譜儀(eds)測定了拉伸斷口各區(qū)域內(nèi)的微區(qū)成分;并對拉伸斷口進(jìn)行了剝層試驗(yàn)。結(jié)果表明:拉伸斷裂發(fā)生在ni-fe和ni-ti之間,ni-fe和ni-ti區(qū)均承載拉伸力,中間層ni的存在成功地阻止了fe與ti之間的互擴(kuò)散。

采用高能噴丸(hesp)對ta17鈦合金和0cr18ni9ti不銹鋼棒材的連接面進(jìn)行了表面自納米化(ssnc)處理,在連接面獲得了一定厚度的納米晶組織層。將鈦合金和不銹鋼的納米化處理連接面對接,在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行恒溫恒壓和脈沖加壓擴(kuò)散連接。測試接頭拉伸強(qiáng)度,并對斷口和接頭顯微組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明,采用脈沖加壓擴(kuò)散連接,接頭界面處生成的金屬間化合物層較薄,接頭抗拉強(qiáng)度高達(dá)384.0mpa;斷口呈脆性斷裂特征。

采用鎳箔作為中間過渡層,在真空下對tc4鈦合金與1cr18ni9ti不銹鋼進(jìn)行了微細(xì)晶超塑性擴(kuò)散連接。通過掃描電鏡、x射線衍射及剪切強(qiáng)度試驗(yàn)等方法,對連接接頭進(jìn)行了微觀分析和剪切強(qiáng)度測試。結(jié)果表明:采用鎳箔作中間過渡層,能有效地防止鐵與鈦、碳間的相互擴(kuò)散和遷移,避免界面上更多的金屬間化合物產(chǎn)生,從而提高了接頭性能。在連接溫度為790℃、連接壓力為3mpa,連接時(shí)間為30min的條件下,可獲得鈦合金與不銹鋼的牢固連接,接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)131.1mpa,且試樣無明顯變形。

采用電鍍納米鎳中間層,對鈦合金ta17與不銹鋼ocr18ni9ti進(jìn)行擴(kuò)散焊焊接試驗(yàn)研究。利用能譜對焊接接頭的元素分布進(jìn)行分析,結(jié)果表明:采用電鍍納米鎳層作中間層能有效防止鈦合金中的ti、v、al等元素與不銹鋼中fe、ni、c等元素的相互擴(kuò)散和遷移,很好地抑制了金屬間化合物tife、tife2及脆性相tic的形成。通過計(jì)算接頭處擴(kuò)散層的激活能可知納米鎳的擴(kuò)散性能比鎳箔的好。

采用高能噴丸對0cr18ni9ti不銹鋼和ta17近α鈦合金棒材端面進(jìn)行了表面自納米化處理,在處理表面以下一定厚度內(nèi)形成了納米晶組織。利用脈沖加壓擴(kuò)散連接在825℃下對不銹鋼和鈦合金進(jìn)行時(shí)間為180s的擴(kuò)散連接,得到了抗拉強(qiáng)度為221.6mpa的擴(kuò)散連接接頭,利用能譜儀(eds)測試出接頭界面兩側(cè)一定范圍內(nèi)不同原子的擴(kuò)散濃度,計(jì)算出了fe原子在ta17近α鈦合金擴(kuò)散層中的擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明,鈦合金與不銹鋼經(jīng)表面自納米化處理后,在短時(shí)間的擴(kuò)散連接過程中原子擴(kuò)散系數(shù)有所提高。

表面納米化不銹鋼與鈦合金擴(kuò)散連接中的擴(kuò)散系數(shù)

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研究了1cr18ni9ti與tc4異種金屬的固態(tài)擴(kuò)散焊接工藝,在現(xiàn)有的工藝方法上采用超聲波加載固態(tài)擴(kuò)散焊接的工藝,并對比超聲波加載擴(kuò)散焊接工藝與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊接工藝。金相分析結(jié)果表明:采用超聲波加載擴(kuò)散焊接工藝,使不銹鋼與鈦合金實(shí)現(xiàn)了良好的連接。

鈦合金和不銹鋼的異種金屬結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景,但實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵是兩者可靠的連接。綜述了鈦合金和不銹鋼焊接存在的問題以及國內(nèi)外擴(kuò)散焊接研究進(jìn)展,并提出了進(jìn)一步的研究方向。

通過對ta17/0cr18ni9ti相變超塑性擴(kuò)散焊接頭拉伸斷口的觀察分析,研究了其接頭的組織結(jié)構(gòu),斷裂機(jī)制。分析表明,在焊接過程中,由于鈦合金/不銹鋼兩側(cè)的ti、fe、cr等原子的互擴(kuò)散,在接頭界面處形成了β-ti、feti、fe2ti、σ等物相。由于界面處缺陷的存在以及鈦合金側(cè)拉向殘余應(yīng)力的存在,使拉伸斷裂主要發(fā)生在β-ti和feti中。分析還發(fā)現(xiàn),接頭對缺陷很敏感,焊接端面上的倒角、劃痕及孔洞會(huì)使接頭的強(qiáng)度降低。

在航天、化工等領(lǐng)域經(jīng)常需要對鈦合金和不銹鋼進(jìn)行焊接.不銹鋼和鈦合金的復(fù)合構(gòu)件能充分發(fā)揮2種材料的優(yōu)點(diǎn),并能節(jié)約寶貴的鈦資源.利用相變超塑性擴(kuò)散焊接方法,在gleeble-1500d型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進(jìn)行了焊接試驗(yàn),并對熱循環(huán)上限溫度的影響、接頭拉伸強(qiáng)度、斷口形貌、顯微組織、物相組成和元素成分分布等進(jìn)行了分析.結(jié)果發(fā)現(xiàn),焊接接頭中形成了tife、tife2、固溶體等物相,而且隨著上限溫度的升高,斷口上金屬間化合物所占面積比例增大,從而造成接頭強(qiáng)度降低.

分析了鈦合金與不銹鋼的物理化學(xué)性能的差異對焊接接頭性能的影響,綜述了國內(nèi)外鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散焊接的研究現(xiàn)狀,對鈦合金與不銹鋼的焊接界面進(jìn)行表面自納米化處理后,在擴(kuò)散焊接過程中能夠顯著提高原子擴(kuò)散系數(shù),抑制脆性金屬間化合物生長,改善接頭組織和提高接頭綜合性能。展望了鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散焊接的發(fā)展趨勢。

采用恒溫恒壓擴(kuò)散焊、相變超塑性擴(kuò)散焊、沖擊加壓擴(kuò)散焊對直接對焊和加納米鎳粉中間層的鈦合金-不銹鋼焊接接頭進(jìn)行了研究。測試了接頭強(qiáng)度,并進(jìn)行了斷口形貌觀察和組織分析,結(jié)果表明:3種試驗(yàn)方法中,恒溫恒壓擴(kuò)散焊所得接頭強(qiáng)度較小,而沖擊加壓擴(kuò)散焊所得接頭強(qiáng)度較高;直接擴(kuò)散焊時(shí),接頭上兩種基體材料之間的互擴(kuò)散程度很大程度上影響了鈦合金-不銹鋼接頭的強(qiáng)度;采用納米鎳粉作中間層能形成強(qiáng)度較高的接頭,達(dá)到了213mpa,但納米鎳粉的致密度不夠高,接頭的強(qiáng)度在很大程度上受到了限制。

采用脈沖加壓擴(kuò)散連接工藝對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進(jìn)行了連接試驗(yàn)。利用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)測試了接頭拉伸強(qiáng)度,分析了脈沖加壓擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對接頭強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:當(dāng)連接溫度為1098k、脈沖最小壓力pmin=8mpa、脈沖最大壓力pmax=50mpa、脈沖次數(shù)為20次、脈沖頻率為0.5hz時(shí),加熱速度vh=30k/s,冷卻溫度vc=5k/s,得到最高的接頭拉伸強(qiáng)度為293mpa,連接所用的有效時(shí)間僅為220s,實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的高效良好連接。利用x射線衍射(xrd)及掃描電鏡(sem)分析了接頭組成相及斷口形貌,接頭界面主要存在β-鈦、fe2ti,feti,拉伸試驗(yàn)中β-鈦的固溶體承擔(dān)了主要的拉伸力。

分別在800℃、825℃、850℃焊接溫度、30min保溫時(shí)間,3mpa焊接壓力下,進(jìn)行ti-6al-4v鈦合金板與304l不銹鋼網(wǎng)的真空擴(kuò)散焊接。對接頭組織結(jié)構(gòu)與化學(xué)元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行了掃描電鏡與能譜分析,并測試了接頭的剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明:不添加中間過渡層金屬,可以成功地實(shí)現(xiàn)鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)的擴(kuò)散焊接,并使接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到90mpa以上。不銹鋼網(wǎng)中的fe、n、icr擴(kuò)散并固溶到鈦合金中,穩(wěn)定了β相,使鈦合金在一定深度上,其組織由原來的α+β雙相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗟摩孪唷２讳P鋼中的cr,由于鈦合金中ti的擴(kuò)散進(jìn)入,而在界面發(fā)生了上坡擴(kuò)散現(xiàn)象。這種cr在不銹鋼一定深度內(nèi)的富集,形成窄長的富cr區(qū)域,冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟摩蚁?。但在焊接接頭中沒有發(fā)現(xiàn)明顯其它的金屬間化合物或氧化物相的生成,使得接頭的機(jī)械性能得到了很好的保證。

用相變超塑性擴(kuò)散焊法實(shí)現(xiàn)了鈦合金ta17與不銹鋼0cr18ni9ti之間的連接。研究了工藝參數(shù)對接頭強(qiáng)度的影響,得到試驗(yàn)條件下鈦合金與不銹鋼焊接的優(yōu)化工藝參數(shù)為循環(huán)上限溫度890℃,循環(huán)下限溫度800℃,循環(huán)次數(shù)10,焊接壓力5mpa,循環(huán)加熱速度30℃/s。在優(yōu)化的工藝條件下,接頭強(qiáng)度達(dá)到307mpa,而焊接時(shí)間僅為160s。對拉伸斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察、能譜分析和x射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)斷裂沿feti和β-ti層之間的某一個(gè)位置發(fā)生,feti金屬間化合物層是接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。對接頭進(jìn)行了能譜分析,結(jié)合fe-cr-ti三元相圖發(fā)現(xiàn),鈦合金與不銹鋼之間的反應(yīng)區(qū)內(nèi)依次形成了σ、fe2ti、feti和β-ti層。

不銹鋼絲網(wǎng)常用絲號、絲徑對照表 規(guī)格 號碼 swg英制bwg伯明罕bgawg美制 吋毫米吋毫米吋毫米吋毫米 7/00.512.70.666616.932 6/00.46411.7860.62515.8750.5814.732 5/00.43210.9730.512.70.588314.9430.516513.119 4/00.410.160.45411.5320.541613.7570.4611.684 3/00.3729.4490.42510.7950.512.70.409610.404 2/00.3488.8390.389.6250.445211.3080.36489.266 00.3248.230.348.6390.395410.0690.324

采用ｖ＋ｃｕ復(fù)合夾層，對鈦合金ｔｃ４與不銹鋼１ｃｒ１８ｎｉ９ｔｉ擴(kuò)散焊接頭的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：ｖ＋ｃｕ復(fù)合夾層可以有效地防止ｔｉ與不銹鋼中ｆｅ，ｃｒ，ｎｉ，ｃ的相互擴(kuò)散和遷移，消除了ｔｉ－不銹鋼接頭中的脆性金屬間化合物和碳化物。接頭的性能與軟質(zhì)中間層ｃｉ的相對厚度有關(guān)。

分別采用常規(guī)工藝和階梯狀工藝的方法,對添加ni+nb復(fù)合中間層的tc4鈦合金與1cr18ni9ti不銹鋼真空擴(kuò)散焊進(jìn)行了研究。利用光學(xué)顯微鏡(om)、掃描電鏡(sem)以及能譜分析(eds)對接頭的組織結(jié)構(gòu)、元素分布進(jìn)行了分析,測試了接頭的力學(xué)性能并分析了斷口形貌和元素分布。結(jié)果表明,通過添加ni+nb中間層成功阻止了fe-ti金屬間化合物生成,接頭界面過渡區(qū)組織自不銹鋼側(cè)依次為fe-cr-ni固溶體、ni-nb反應(yīng)層、剩余nb及nb-ti固溶體。階梯狀工藝下接頭的結(jié)合質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)工藝下的接頭,在階梯狀工藝上限溫度900℃條件下接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了396mpa,斷口分析表明,接頭斷裂于ni-nb形成的反應(yīng)層,該反應(yīng)層是由ni3nb和少量ni6nb7金屬間化合物組成的混合層,為接頭過渡區(qū)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。