加鎳過渡層鈦合金/不銹鋼網(wǎng)擴散連接技術(shù)

分析了鈦及鈦合金與不銹鋼的物理化學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散連接上的運用及發(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不銹鋼進行了脈沖加壓擴散連接,接頭抗拉強度分別達到了175,212,334mpa。在金相顯微鏡下,對拉伸斷口形貌進行了觀察和分析;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度進行了實驗研究。采用恒溫恒壓擴散焊、相變超塑性擴散焊和脈沖加壓擴散焊實現(xiàn)了鈦合金和不銹鋼的焊接,測試了焊接接頭的強度,并對接頭進行了金相觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn):3種接頭的強度都達到了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。脈沖加壓擴散焊能促進擴散過程,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散焊方法。

采用純鎳箔作中間過渡層,在脈沖加壓擴散連接工藝下,對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進行了連接試驗,并測定了接頭的拉伸強度。結(jié)果表明:采用鎳箔作中間過渡金屬的脈沖加壓擴散連接,實現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的高效良好連接,接頭抗拉強度達到了334mpa。采用金相顯微鏡和掃描電鏡,對拉伸斷口形貌進行了觀察和分析;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;并對拉伸斷口進行了剝層試驗。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,在熱模擬試驗機上進行恒溫恒壓和脈沖加壓擴散連接。測試接頭拉伸強度,并對斷口和接頭顯微組織進行分析。結(jié)果表明,采用脈沖加壓擴散連接,接頭界面處生成的金屬間化合物層較薄,接頭抗拉強度高達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不銹鋼進行了微細晶超塑性擴散連接。通過掃描電鏡、x射線衍射及剪切強度試驗等方法,對連接接頭進行了微觀分析和剪切強度測試。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,接頭剪切強度可達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進行擴散焊焊接試驗研究。利用能譜對焊接接頭的元素分布進行分析,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。通過計算接頭處擴散層的激活能可知納米鎳的擴散性能比鎳箔的好。

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。利用脈沖加壓擴散連接在825℃下對不銹鋼和鈦合金進行時間為180s的擴散連接,得到了抗拉強度為221.6mpa的擴散連接接頭,利用能譜儀(eds)測試出接頭界面兩側(cè)一定范圍內(nèi)不同原子的擴散濃度,計算出了fe原子在ta17近α鈦合金擴散層中的擴散系數(shù)。結(jié)果表明,鈦合金與不銹鋼經(jīng)表面自納米化處理后,在短時間的擴散連接過程中原子擴散系數(shù)有所提高。

表面納米化不銹鋼與鈦合金擴散連接中的擴散系數(shù)

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

鈦合金和不銹鋼的異種金屬結(jié)構(gòu)具有廣闊的應用前景,但實現(xiàn)其應用的關(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)外擴散焊接研究進展,并提出了進一步的研究方向。

通過對ta17/0cr18ni9ti相變超塑性擴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、劃痕及孔洞會使接頭的強度降低。

在航天、化工等領(lǐng)域經(jīng)常需要對鈦合金和不銹鋼進行焊接.不銹鋼和鈦合金的復合構(gòu)件能充分發(fā)揮2種材料的優(yōu)點,并能節(jié)約寶貴的鈦資源.利用相變超塑性擴散焊接方法,在gleeble-1500d型熱模擬試驗機上對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進行了焊接試驗,并對熱循環(huán)上限溫度的影響、接頭拉伸強度、斷口形貌、顯微組織、物相組成和元素成分分布等進行了分析.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,從而造成接頭強度降低.

分析了鈦合金與不銹鋼的物理化學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散焊接的研究現(xiàn)狀,對鈦合金與不銹鋼的焊接界面進行表面自納米化處理后,在擴散焊接過程中能夠顯著提高原子擴散系數(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散焊接的發(fā)展趨勢。

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

采用脈沖加壓擴散連接工藝對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進行了連接試驗。利用液壓萬能試驗機測試了接頭拉伸強度,分析了脈沖加壓擴散連接工藝參數(shù)對接頭強度的影響。結(jié)果表明:當連接溫度為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,加熱速度vh=30k/s,冷卻溫度vc=5k/s,得到最高的接頭拉伸強度為293mpa,連接所用的有效時間僅為220s,實現(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,拉伸試驗中β-鈦的固溶體承擔了主要的拉伸力。

對鐵合金tc4與不銹鋼icrl8ni9ti異種金屬擴散焊接頭的結(jié)合性能進行了試驗研究，利用光學顯微鏡、掃描電鏡、電子探針儀等對接頭進行了微觀分析．結(jié)果表明：tc4/1cr19ni9ti直接擴散焊時，由于母村組元的相互擴散和遷移，在交界面附近形成了金屬間化合物層，而導致接頭脆斷．采用釩十銅作中間過渡金屬，則有效地防止了ti與fe、cr、ni的相互擴散和遷移，保證了鈦合金tc4與不銹鋼1cr18ni9ti的良好連接．接頭的強度與軟質(zhì)中間層銅的厚度有關(guān)，最高強度可接近母材不銹鋼的下限．

對鈦合金tc4與不銹鋼1cr18ni9ti異種金屬擴散焊接頭的結(jié)合性能進行了試驗研究,利用光學顯微鏡,掃描電鏡,電子探針儀等對接頭進行了微觀分析。

探討了ta17鈦合金和0cr18ni9ti不銹鋼相變超塑性擴散連接工藝;分析了接頭微觀組織結(jié)構(gòu),元素的擴散及斷口形貌。結(jié)果表明,鈦合金和不銹鋼兩側(cè)的元素有不同程度的擴散,在界面處形成β-ti、tife和tife2。控制金屬間化合物厚度在5μm以內(nèi)可以提高接頭強度。接頭受力的主要物相是以β-ti為基的固溶體,該物相的面積對接頭的強度影響很大,面積越大,接頭強度越高;反之越低。

采用銅和銅加釩作中間金屬,探索了鈦合金tc4與不銹鋼1cr18ni9ti的真空擴散焊工藝,對接頭成分、組織進行了分析。結(jié)果表明:采用一層中間金屬銅進行擴散焊時,接頭的強度很低,呈脆性斷裂;采用兩層中間金屬銅加釩時,接頭的強度與銅層的相對厚度有關(guān),最高強度可接近母材不銹鋼強度的下限。

采用高能噴丸(hesp)對ta17鈦合金和0cr18ni9ti不銹鋼棒材的端面進行了表面自納米化(ssnc)處理,在端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端面對接,在gleeble—1500d熱模擬試驗機上進行脈沖加壓擴散連接。對接頭進行了拉伸試驗,并對斷口和接頭顯微組織進行了研究分析。結(jié)果表明,接頭強度高達384.0mpa,與在相同條件下獲得的常規(guī)粗晶的接頭強度相比,有顯著的提高。接頭在拉伸時發(fā)生脆性斷裂,接頭剖面的顯微硬度隨顯微組織而變化。