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钛-钢扩散焊的特点及焊接方法
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:7/25/2007 阅读:13366

  

 

 

钛-钢扩散焊的特点及焊接方法

 

 

秦斌1,盛光敏2,袁新建2,黄文展2

1. 宝钢研究院不锈钢研究所,上海2019002. 重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044

 

摘要:阐述了钛-钢焊接的特点及扩散焊过程,并从快速增加界面接触面积、材料表面纳米化和添加中间层3个方面提出了提高接头强度的建议。

关键词:钛;钢;扩散焊;金属间化合物

中图分类号:TG113.263      文献标识码:A

 

1  前言

钛-钢异种金属结构在航天、航空及石油化工等领域具有广阔的应用前景。但是,由于钛与钢的线膨胀系数、热导率相差较大,在焊接加热和冷却过程中易产生较大的内应力;钛与铁的互溶度极小,钛会与钢中的铁、铬、镍、碳形成复杂的脆性金属间化合物,钛-钢之间的连接问题至今没有得到有效的解决。可以用于异种金属连接的主要方法有爆炸焊、钎焊、摩擦焊、激光焊、钨极氩弧焊等,其存在的共同问题是由于焊接温度过高,导致接头变形过大,基体材料和焊缝晶粒长大,焊缝出现裂纹;焊接接头中出现大量脆性金属间化合物,使接头脆性增加、强度降低,这些问题在钛与钢的焊接中表现得更为突出。相对而言,扩散连接焊温度低,温度梯度小,引起组织性能劣化的程度小,能焊合相互不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料,因此有望实现钛与钢的有效连接。

 

2  钛-钢扩散连接界面接触过程

扩散连接是在高温和一定压力下,两表面通过接触面发生蠕变和扩散作用,使结合面孔隙闭合而实现连接的一种方式。由此可见,要实现钛-钢之间的可靠连接就应先实现二者之间的紧密接触,然后通过扩散作用实现2种材料的冶金结合。实际上,即使经过精细加工的材料表面,也会存在一定程度的凹凸不平,两粗糙面接触后,界面处都会形成大小不同、形状各异的界面孔洞⑷-。对于钛-钢之间的连接,在界面处还会形成脆性金属间化合物。因此,钛-钢之间的扩散连接过程既是一个界面孔洞收缩过程,也是一个金属间化合物生成长大过程。这个过程包括3个阶段,如图1所示:(a)两个表面接触,界面处形成了一定数量的孔洞,金属间化合物在界面接触处形核;(b)界面处的孔洞在高温、压力作用下不断地收缩,金属间化合物长大成片状或块状;(c)界面处的孔洞缩小到一定程度,金属间化合物长大成层状,并以层状不断长大。这3个阶段并不是截然分开的,一方面,扩散的过程是一个连续的过程,各阶段之间是逐渐过渡的;另一方面,同一时间内焊接面上的接触情况不一致,使有些地方的焊接已经进入第3阶段,而有些地方还处于第1阶段。

界面接触面积的增加,即孔洞的缩小可以提高接头的强度,而金属间化合物层长大会降低接头强度,特别是当金属间化合物层长大到3μm时对接头危害更大,因此要提高接头的强度就应从同时增加接头界面接触面积和减少金属间化合物两方面入手。

 

3  钛-钢扩散连接的研究现状及方向

钛-钢进行恒温恒压扩散连接⑻-的过程中存在着一对矛盾:在连接温度低、连接时间短时,界面微观紧密接触不充分,接头强度低;在连接温度高、连接时间较长时,界面微观紧密接触较充分,但界面处的金属间化合物已经长大,对接头强度的损害较大。这一矛盾的存在使钛-钢扩散连接接头的强度难以进一步提高。对钛-钢扩散连接过程的3个阶段进行分析可以发现:相对而言,第12阶段界面接触面积增加较快,持续时间较短,金属间化合物的生成量相对较少;第3阶段,孔洞已经缩小到一定的程度,且已经呈圆形,因此需要较长的时间才能使界面的接触面积增加,而在这一阶段金属间化合物已经连接成层状,且不断长大。由此可见,只要设法提高12阶段连接界面的焊合率,缩短第3阶段的焊接时间,控制界面处金属间化合物层的过分长大,就有可能提高接头的强度。

针对这一思路,对钛-钢进行了相变超塑性扩散焊和脉冲加压扩散焊。相变超塑性扩散焊是利用材料在热循环作用下使被焊材料在接触界面处发生超塑性流变,从而使表面紧密接触并接近到原子间作用力能达到的范围之内,实现界面两侧材料的可靠连接,其连接工艺如图2所示。

焊接时先对试样施加一个压力,然后以一定的速度升温,当试样的温度达到循环上限温度Tnmx后以一定的冷却速度降温,当降至循环下限温度Tmin时保温一定的时间,然后又开始升温,如此循环多次。材料相变点在TnmxTmin之间,这样才能保证材料在热循环过程中发生反复相变。在相变超塑性扩散焊条件下,结合面及附近产生超塑性流变,在一定程度上有利于焊接表面的相互从而保证了焊接表面更好的接触及扩散、再结晶过程。脉冲加压扩散焊是一种新型的扩散焊,其连接工艺如图3所示。

先给试样施加一定的压力,然后以一定的速度把接头加热至再结晶温度附近,接着对焊接试样施加连续的脉冲压力,再将试样保温一定的时间,最后降压降温。如图4所示,采用脉冲加压时,应变速度比恒温恒压时快,可以在较短的时间内增大界面的接触面积。对于TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢,恒温恒压扩散焊(850850MPa)用时180s接头的抗拉强度为264MPa,而采用相变超塑性扩散焊时,仅用了160s接头的强度即达到了307MPa;采用脉冲加压扩散焊时,用时180s,接头的强度达到了321MPa,焊接温度为825,比恒温恒压扩散焊降低了25

除了采用适当的连接工艺提高钛-钢复合构件接头强度外,应充分利用材料本身的潜能来提高连接强度。当界面接触较充分时,金属间化合物层越厚,接头的强度越低,而金属间化合物的形核长大需要一定的能量,同时其生成长大有一个过程,如果能够实现低温、短时连接,那么就可以在一定程度上抑制金属间化合物形成、长大。纳米扩散焊的提出为材料的低温、短时连接提供了可能。纳长材料颗粒度小、界面面积较大、比表面能高、活性高、熔点低,扩散能力强,如纳米镍粉的熔点为1173℃,与纯镍金属块的熔点(1455℃)相比降低了280℃。纳米材料的上述优点都有利于实现钛合金与不锈钢的低温、短时连接。采用纳米镍粉作中间层,对TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢进行焊接时发现,纳米材料作中间层时接头的扩散层长大激活能较小,说明在相同的焊接条件下纳米中间层原子具有较高的活性,但是由于纳米镍粉极易团聚,且作为中间层加入时很难控制其均匀性,因为这些问题没有得到有效的解决,实际焊得的接头强度仅为258MPa

材料表面纳米化的新进展,为材料的纳米扩散焊提供了新的可能。文献表明,利用强烈塑性变形可以在材料中获得纳米晶组织。实现塑性变形的方法基本上可以归纳为2类:一类是使材料的整体发生强烈塑性变形,如等通道转角挤压法、高压扭转法、多向锻造法、反复冷轧法等;另一类是使材料的表面发生强烈塑性变形,如超声喷丸法和表面机械研磨法等。前者可以获得块体纳米材料,但由于制备工艺复杂、成本高等因素的制约,这些方法至今难以在工业上得到实际应用,而后者可以在材料的表面获得一定厚度的纳米晶组织,即实现表面纳米化,这种表面纳米化在工业上较易实现。通过表面机械研磨得到AISI304316L不锈钢表面纳米化的尝试可以达到30μm,显微组织的平均晶粒尺寸约为10μm,为钛合金与不锈钢实现低温短时连接提供了可能。

当然,在钛与钢之间加入一种或几种合适的中间过渡层也是一种提高接头强度的方法。但是,钛是一种活泼金属,除了与钽、锆、铪、铌和钒等金属之间具有一定的互溶性以外,与其他金属连接时均会形成脆性金属间化合物,而锆、铪、铌、钽易与铁生成多种金属间化合物,钒-铁体系在很广的成分范围内会形成脆性的σ相。所加中间层必须与2种母材均有较好的相容性。试验表面,钽作中间层时,在钽与钢之间出现了硬质的Fe2TaNiTa,接头的强度不高。钼作中间层时,铁与钼的接触区也形成了硬质层。钒作中间层时,钢中的碳向钒中发生强烈扩散,从而形成碳化物VC。用镍用中间层时,镍中间层能够阻碍铁钛之间的直接扩散,从而抑制铁钛之间金属间化合物的生成,但接触区生成了钛与镍之间的金属间化合物,李小强用纯镍作中间层得到的接头最高强度为146MPa,孙荣禄等用镍作中间层焊合了TC41Cr18Nu9Ti,接头的最高强度达到352MPa。用钒+铜箔作中间层时,中间层有效防止了钛与不锈钢中元素的扩散,消除了钛铁之间的金属间化合物,接头的最高强度达到356MPa,且断口呈韧性。何鹏等人⒂、用钒+铜作钛/40Cr中间层时,接头强度达到540MPa,用钛//铜作为TiAl和钢的中间层能避免金属间化合物与其他脆性相的生成,接头强度可以达到420MPa。因此,通过加入中间层来提高钛合金与不锈钢扩散焊接接头的强度是可能的,但中间层材料的加入,引入了第3种材料,增加了连接界面,也降低了接头的耐蚀性。

 

4  结论

1)钛-钢之间的扩散连接过程是界面孔洞收缩和金属间化合物生成长大过程,要提高接头的强度就应从同时增加接头界面接触面积和减少金属间化合物两方面入手。

2)提高12阶段连接界面的焊合率,缩短第3阶段的焊接时间,控制界面处金属间化合物层的过分长大,就有可能提高接头的强度。

3)材料表面纳米化的新进展,为钛合金与不锈钢实现低温短时连接提供了可能。

4)在钛与钢之间加入一种或几种合适的中间过渡层也是一种提高接头强度的方法。但是,中间层材料的加入,引入了第3种材料,增加了连接界面。

 

参考文献:

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