加镍过渡层钛合金/不锈钢网扩散连接技术

分析了钛及钛合金与不锈钢的物理化学性能的差异对连接接头性能的影响以及钛合金与不锈钢焊接接头的性能,综述了国内外钛及钛合金与不锈钢扩散连接的发展现状,展望了表面自纳米化技术在钛及钛合金与不锈钢扩散连接上的运用及发展。

采用纳米ni粉、纳米ni镀层、ni箔作中间过渡层,对ta17近α型钛合金与0cr18ni9ti不锈钢进行了脉冲加压扩散连接,接头抗拉强度分别达到了175,212,334mpa。在金相显微镜下,对拉伸断口形貌进行了观察和分析;利用扫描电镜(sem)、能谱仪(eds)、x射线衍射分析(xrd)测定了连接接头各区域内的微区成分和物相。结果表明,纳米ni粉致密度不够高,纳米ni镀层质量不够高,在很大程度上限制了接头强度的提高;ni箔中间层的存在成功地阻止了fe与ti之间的互扩散,避免了形成脆而硬的fe-ti系金属间化合物。

对ta17钛合金与1cr18ni9ti不锈钢的焊接接头强度进行了实验研究。采用恒温恒压扩散焊、相变超塑性扩散焊和脉冲加压扩散焊实现了钛合金和不锈钢的焊接,测试了焊接接头的强度,并对接头进行了金相观察。结果发现:3种接头的强度都达到了264mpa,且接头为多层次的多相组织。物相分析发现钛合金不锈钢接头中存在fe2ti和σ(fecr)两种脆性金属间化合物。脉冲加压扩散焊能促进扩散过程,减少金属间化合物的形成,改善其分布,是一种较有前景的扩散焊方法。

采用纯镍箔作中间过渡层,在脉冲加压扩散连接工艺下,对ta17钛合金与0cr18ni9ti不锈钢进行了连接试验,并测定了接头的拉伸强度。结果表明:采用镍箔作中间过渡金属的脉冲加压扩散连接,实现了钛合金与不锈钢的高效良好连接,接头抗拉强度达到了334mpa。采用金相显微镜和扫描电镜,对拉伸断口形貌进行了观察和分析;利用能谱仪(eds)测定了拉伸断口各区域内的微区成分;并对拉伸断口进行了剥层试验。结果表明:拉伸断裂发生在ni-fe和ni-ti之间,ni-fe和ni-ti区均承载拉伸力,中间层ni的存在成功地阻止了fe与ti之间的互扩散。

采用高能喷丸(hesp)对ta17钛合金和0cr18ni9ti不锈钢棒材的连接面进行了表面自纳米化(ssnc)处理,在连接面获得了一定厚度的纳米晶组织层。将钛合金和不锈钢的纳米化处理连接面对接,在热模拟试验机上进行恒温恒压和脉冲加压扩散连接。测试接头拉伸强度,并对断口和接头显微组织进行分析。结果表明,采用脉冲加压扩散连接,接头界面处生成的金属间化合物层较薄,接头抗拉强度高达384.0mpa;断口呈脆性断裂特征。

采用镍箔作为中间过渡层,在真空下对tc4钛合金与1cr18ni9ti不锈钢进行了微细晶超塑性扩散连接。通过扫描电镜、x射线衍射及剪切强度试验等方法,对连接接头进行了微观分析和剪切强度测试。结果表明:采用镍箔作中间过渡层,能有效地防止铁与钛、碳间的相互扩散和迁移,避免界面上更多的金属间化合物产生,从而提高了接头性能。在连接温度为790℃、连接压力为3mpa,连接时间为30min的条件下,可获得钛合金与不锈钢的牢固连接,接头剪切强度可达131.1mpa,且试样无明显变形。

采用电镀纳米镍中间层,对钛合金ta17与不锈钢ocr18ni9ti进行扩散焊焊接试验研究。利用能谱对焊接接头的元素分布进行分析,结果表明:采用电镀纳米镍层作中间层能有效防止钛合金中的ti、v、al等元素与不锈钢中fe、ni、c等元素的相互扩散和迁移,很好地抑制了金属间化合物tife、tife2及脆性相tic的形成。通过计算接头处扩散层的激活能可知纳米镍的扩散性能比镍箔的好。

采用高能喷丸对0cr18ni9ti不锈钢和ta17近α钛合金棒材端面进行了表面自纳米化处理,在处理表面以下一定厚度内形成了纳米晶组织。利用脉冲加压扩散连接在825℃下对不锈钢和钛合金进行时间为180s的扩散连接,得到了抗拉强度为221.6mpa的扩散连接接头,利用能谱仪(eds)测试出接头界面两侧一定范围内不同原子的扩散浓度,计算出了fe原子在ta17近α钛合金扩散层中的扩散系数。结果表明,钛合金与不锈钢经表面自纳米化处理后,在短时间的扩散连接过程中原子扩散系数有所提高。

表面纳米化不锈钢与钛合金扩散连接中的扩散系数

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研究了1cr18ni9ti与tc4异种金属的固态扩散焊接工艺,在现有的工艺方法上采用超声波加载固态扩散焊接的工艺,并对比超声波加载扩散焊接工艺与传统扩散焊接工艺。金相分析结果表明:采用超声波加载扩散焊接工艺,使不锈钢与钛合金实现了良好的连接。

钛合金和不锈钢的异种金属结构具有广阔的应用前景,但实现其应用的关键是两者可靠的连接。综述了钛合金和不锈钢焊接存在的问题以及国内外扩散焊接研究进展,并提出了进一步的研究方向。

通过对ta17/0cr18ni9ti相变超塑性扩散焊接头拉伸断口的观察分析,研究了其接头的组织结构,断裂机制。分析表明,在焊接过程中,由于钛合金/不锈钢两侧的ti、fe、cr等原子的互扩散,在接头界面处形成了β-ti、feti、fe2ti、σ等物相。由于界面处缺陷的存在以及钛合金侧拉向残余应力的存在,使拉伸断裂主要发生在β-ti和feti中。分析还发现,接头对缺陷很敏感,焊接端面上的倒角、划痕及孔洞会使接头的强度降低。

在航天、化工等领域经常需要对钛合金和不锈钢进行焊接.不锈钢和钛合金的复合构件能充分发挥2种材料的优点,并能节约宝贵的钛资源.利用相变超塑性扩散焊接方法,在gleeble-1500d型热模拟试验机上对ta17钛合金与0cr18ni9ti不锈钢进行了焊接试验,并对热循环上限温度的影响、接头拉伸强度、断口形貌、显微组织、物相组成和元素成分分布等进行了分析.结果发现,焊接接头中形成了tife、tife2、固溶体等物相,而且随着上限温度的升高,断口上金属间化合物所占面积比例增大,从而造成接头强度降低.

分析了钛合金与不锈钢的物理化学性能的差异对焊接接头性能的影响,综述了国内外钛合金与不锈钢扩散焊接的研究现状,对钛合金与不锈钢的焊接界面进行表面自纳米化处理后,在扩散焊接过程中能够显著提高原子扩散系数,抑制脆性金属间化合物生长,改善接头组织和提高接头综合性能。展望了钛合金与不锈钢扩散焊接的发展趋势。

采用恒温恒压扩散焊、相变超塑性扩散焊、冲击加压扩散焊对直接对焊和加纳米镍粉中间层的钛合金-不锈钢焊接接头进行了研究。测试了接头强度,并进行了断口形貌观察和组织分析,结果表明:3种试验方法中,恒温恒压扩散焊所得接头强度较小,而冲击加压扩散焊所得接头强度较高;直接扩散焊时,接头上两种基体材料之间的互扩散程度很大程度上影响了钛合金-不锈钢接头的强度;采用纳米镍粉作中间层能形成强度较高的接头,达到了213mpa,但纳米镍粉的致密度不够高,接头的强度在很大程度上受到了限制。

采用脉冲加压扩散连接工艺对ta17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pmin=8mpa、脉冲最大压力pmax=50mpa、脉冲次数为20次、脉冲频率为0.5hz时,加热速度vh=30k/s,冷却温度vc=5k/s,得到最高的接头拉伸强度为293mpa,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(xrd)及扫描电镜(sem)分析了接头组成相及断口形貌,接头界面主要存在β-钛、fe2ti,feti,拉伸试验中β-钛的固溶体承担了主要的拉伸力。

对铁合金tc4与不锈钢icrl8ni9ti异种金属扩散焊接头的结合性能进行了试验研究，利用光学显微镜、扫描电镜、电子探针仪等对接头进行了微观分析．结果表明：tc4/1cr19ni9ti直接扩散焊时，由于母村组元的相互扩散和迁移，在交界面附近形成了金属间化合物层，而导致接头脆断．采用钒十铜作中间过渡金属，则有效地防止了ti与fe、cr、ni的相互扩散和迁移，保证了钛合金tc4与不锈钢1cr18ni9ti的良好连接．接头的强度与软质中间层铜的厚度有关，最高强度可接近母材不锈钢的下限．

对钛合金tc4与不锈钢1cr18ni9ti异种金属扩散焊接头的结合性能进行了试验研究,利用光学显微镜,扫描电镜,电子探针仪等对接头进行了微观分析。

探讨了ta17钛合金和0cr18ni9ti不锈钢相变超塑性扩散连接工艺;分析了接头微观组织结构,元素的扩散及断口形貌。结果表明,钛合金和不锈钢两侧的元素有不同程度的扩散,在界面处形成β-ti、tife和tife2。控制金属间化合物厚度在5μm以内可以提高接头强度。接头受力的主要物相是以β-ti为基的固溶体,该物相的面积对接头的强度影响很大,面积越大,接头强度越高;反之越低。

采用铜和铜加钒作中间金属,探索了钛合金tc4与不锈钢1cr18ni9ti的真空扩散焊工艺,对接头成分、组织进行了分析。结果表明:采用一层中间金属铜进行扩散焊时,接头的强度很低,呈脆性断裂;采用两层中间金属铜加钒时,接头的强度与铜层的相对厚度有关,最高强度可接近母材不锈钢强度的下限。

采用高能喷丸(hesp)对ta17钛合金和0cr18ni9ti不锈钢棒材的端面进行了表面自纳米化(ssnc)处理,在端面获得了一定厚度的纳米晶组织层。将钛合金和不锈钢的纳米化处理端面对接,在gleeble—1500d热模拟试验机上进行脉冲加压扩散连接。对接头进行了拉伸试验,并对断口和接头显微组织进行了研究分析。结果表明,接头强度高达384.0mpa,与在相同条件下获得的常规粗晶的接头强度相比,有显著的提高。接头在拉伸时发生脆性断裂,接头剖面的显微硬度随显微组织而变化。