鈦合金與不銹鋼真空熱軋形變連接機(jī)理研究.pdf

1、鈦合金和不銹鋼的熔點(diǎn)高、線膨脹系數(shù)差異大，焊接時(shí)會(huì)形成較大的焊接應(yīng)力，而且在高溫下容易反應(yīng)形成硬度高、脆性大的金屬間化合物導(dǎo)致接頭脆化，所以連接很困難。本文采用真空熱軋形變連接的方法成功實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金與0Cr18Ni10Ti不銹鋼的高強(qiáng)度的連接，利用光學(xué)顯微鏡、SEM、XRD、EPMA、納米壓痕等對(duì)接頭的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和測(cè)試，對(duì)真空熱軋形變連接的機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)焊接接頭的應(yīng)用情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　鈦合金與不銹鋼直接

2、真空熱軋連接時(shí)，焊接溫度800℃時(shí)連接界面存在未連接的空隙；焊接溫度900℃時(shí)硬而脆的金屬間化合物層尤其是富Cr層在連接界面處形成并導(dǎo)致接頭脆化；當(dāng)焊接溫度低于或等于750℃，高于或等于950℃時(shí)，鈦合金與不銹鋼未能形成連接。當(dāng)焊接溫度850℃，壓縮率20％時(shí)，鈦合金與不銹鋼直接真空熱軋連接接頭連接強(qiáng)度達(dá)到最大值77.33MPa。
　　用銅作為中間層材料實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的連接。銅中間層能夠完全阻隔母材之間的擴(kuò)散，連接界面處沒有

3、Fe-Ti金屬間化合物形成。不銹鋼與銅的連接界面為無規(guī)則的鑲嵌式結(jié)構(gòu)，沒有明顯的反應(yīng)層或擴(kuò)散層。銅與鈦合金的連接界面形成了脆性的Cu-Ti金屬間化合物層，隨著焊接溫度的升高其體積分?jǐn)?shù)增大，接頭連接強(qiáng)度隨之降低。拉伸試樣均斷裂于金屬間化合物層之間或金屬間化合物層與銅之間。連接界面擴(kuò)散層的厚度主要取決于焊接溫度，壓縮率對(duì)其影響不大。當(dāng)焊接溫度780℃，壓縮率20%時(shí)接頭連接強(qiáng)度達(dá)到最大值343MPa。
　　采用鎳中間層實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不

4、銹鋼的真空熱軋連接。鎳能夠完全阻隔母材之間的擴(kuò)散，連接界面處沒有Fe-Ti金屬間化合物形成。不銹鋼與鎳的連接界面為無規(guī)則的鑲嵌式結(jié)構(gòu)，沒有明顯的反應(yīng)層或擴(kuò)散層形成。鎳與鈦合金的連接界面由機(jī)械咬合層和擴(kuò)散層組成。硬而脆的金屬間化合物導(dǎo)致接頭脆化，隨著焊接溫度的升高金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)增大，接頭連接強(qiáng)度隨之降低，試樣均斷裂于脆性的金屬間化合物層之間或金屬間化合物層和鎳之間。連接界面擴(kuò)散層的厚度主要取決于焊接溫度，壓縮率對(duì)其影響不大。當(dāng)焊接

5、溫度760℃，壓縮率20%時(shí)接頭連接強(qiáng)度達(dá)到最大值440.1MPa。
　　采用鈮作為中間層材料實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的真空熱軋連接。鈮中間層能夠完全阻隔母材之間的擴(kuò)散，連接界面處沒有Fe-Ti金屬間化合物形成。不銹鋼與鈮的連接界面處反應(yīng)層的厚度隨著焊接溫度的升高而增大，接頭連接強(qiáng)度隨之降低。鈮與鈦合金的連接界面的固溶體層的厚度隨著焊接溫度的升高而增大。連接界面擴(kuò)散層的厚度主要取決于焊接溫度，壓縮率對(duì)其影響不大。當(dāng)焊接溫度800℃，壓

6、縮率25%時(shí)接頭連接強(qiáng)度達(dá)到最大值430MPa。
　　利用有限元軟件MSC.Marc對(duì)異種材料熱軋連接過程的塑性變形行為進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：軋制過程中材料連接表面擴(kuò)展形成新生表面，連接表面之間發(fā)生了相對(duì)滑移，使得界面之間產(chǎn)生軋制方向上的摩擦力，從而使得連接材料表面氧化膜和其它雜質(zhì)破除并露出新鮮材料表面，新鮮的材料相互接觸形成連接，當(dāng)采用軟質(zhì)中間層材料時(shí)連接表面之間的相對(duì)滑移程度增大。
　　對(duì)軋制連接的物理過程進(jìn)行了研究

7、，認(rèn)為該過程包括連接材料表面的接觸、連接材料表面形成新生表面并發(fā)生相對(duì)滑移從而使得表面的氧化膜和其它雜質(zhì)破除、新鮮的材料露出并接觸實(shí)現(xiàn)連接、連接界面處的元素互擴(kuò)散、連接界面的整體連接的形成這幾個(gè)階段。
　　進(jìn)行了鈦合金與不銹鋼真空熱軋過渡接頭的TIG焊接試驗(yàn)。無中間層熱軋連接過渡接頭在TIG焊接時(shí)沿原連接界面開裂；采用銅中間層的過渡接頭TIG焊接之后拉伸強(qiáng)度最高約為40.77MPa，Cu-TC4界面沿金屬間化合物層開裂；采用鎳中間