表面自納米化不銹鋼與鈦合金擴散連接研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、在異種金屬材料的固態(tài)擴散連接過程中,為了實現(xiàn)原子的互擴散和有效的冶金結合,需在較高溫度下進行長時間連接。但由于異種金屬材料之間存在較大的物理、化學和力學性能差異,在連接界面處易生成較厚的金屬間化合物,擴散層晶粒粗化,接頭內(nèi)應力增大,從而惡化了接頭的力學性能。針對這一困擾工程界多年的問題,本文采用高能噴丸(High energy shot peening,HESP)工藝,對0Cr18Ni9Ti不銹鋼與TA17近α鈦合金的連接界面進行表面自

2、納米化(Surfaceself-nanocrystallization,SSNC)處理,獲得了一定厚度的納米晶組織,以期望促進原子在擴散連接過程中的互擴散,降低連接溫度,縮短連接時間,抑制脆性金屬間化合物的生長,改善接頭組織,提高接頭力學性能。這由于表面自納米化納米組織中含有高體積分數(shù)的晶界,能夠為原子擴散提供大量通道,同時納米組織中具有較高的吉布斯自由能,降低了原子的擴散激活能,有利于提高擴散連接過程中原子的擴散系數(shù)。
  

3、文中對高能噴丸處理后的不銹鋼和鈦合金的納米組織進行了表征;試驗研究了不銹鋼和鈦合金表面層納米組織的熱穩(wěn)定性;采用恒溫恒壓、脈沖加壓對表面自納米化0Cr18Ni9Ti不銹鋼與TA17近α鈦合金進行擴散連接;借助拉伸實驗機、金相觀察、顯微硬度測試、掃描電鏡觀察、能譜分析、X-射線衍射等分析手段研究了表面自納米化鈦合金與不銹鋼擴散連接接頭的組織結構和性能。
   研究表明,采用高能噴丸對0Cr18Ni9Ti不銹鋼與TA17鈦合金進行表

4、面自納米化處理后,分別在端面以下70μm和50μm左右深度內(nèi)形成了等軸納米晶。晶粒細化機理與晶格結構和層錯能密切相關,不銹鋼的晶粒細化機理為位錯+孿生變形+應變誘導馬氏體相變機制;鈦合金的粒細化機理為孿生+位錯滑移機制。在高能噴丸過程中,應力和應變速率隨著深度的增加逐漸減小,從而使變形層內(nèi)的晶粒尺寸隨深度增加逐漸增大并過渡到基體晶粒尺寸。
   采用退火處理對鈦合金與不銹鋼的高能噴丸納米組織進行了熱穩(wěn)定性試驗研究,結果表明不銹鋼

5、與鈦合金的高能噴丸納米晶組織分別在不超過650℃和550℃退火時,有相對較好的熱穩(wěn)定性;不銹鋼與鈦合金納米組織在850℃退火30min后,晶粒尺寸分別不超過80nm和100nm。
   在800~900℃之間,采用8MPa恒定軸向壓力,對表面自納米化0Cr18Ni9Ti不銹鋼和TA17鈦合金進行恒溫恒壓擴散連接(Constant Temperature and PressureDiffusion Bonding,CTPDB)20

6、min后,在850℃連接時獲得了最高拉伸強度為327MPa接頭,比粗晶試樣采用相同擴散連接工藝獲得的接頭拉伸強度高出60MPa以上。
   在650~750℃之間對表面自納米化0Cr18Ni9Ti不銹鋼和TA17鈦合金采用脈沖加壓擴散連接(Pulse Pressure Diffusion Bonding,PPDB)后,獲得了具有一定拉伸強度的連接接頭。本文首次在低于800℃以下獲得了鈦合金與不銹鋼的擴散連接接頭。經(jīng)對800℃以下

7、的脈沖加壓擴散連接工藝參數(shù)進行優(yōu)化,在升溫和降溫速度一定,壓力脈沖頻率一定的條件下,得到優(yōu)化工藝參數(shù)為:連接溫度T=750℃,最大脈沖壓力Pmax=150MPa,最小脈沖壓力Pmin=80MPa,脈沖次數(shù)n=400次,在此工藝下得到的接頭拉伸強度達到262MPa。
   在850℃時,采用最小脈沖壓力Pmin=8MPa,最大脈沖壓力Pmax=50MPa,脈沖頻率f=0.5Hz的工藝參數(shù),對表面自納米化TA17鈦合金和0Cr18N

8、i9Ti不銹鋼進行脈沖加壓擴散連接80s后,獲得了最大拉伸強度為384.0MPa的接頭,比粗晶試樣采用相同擴散連接工藝獲得的接頭拉伸強度高出60MPa以上。
   對上述不同擴散連接工藝下得到的接頭的物相和組織進行分析研究,結果表明,從不銹鋼側到鈦合金側依次形成了不同的物相,分別為奧氏體(不銹鋼基體)、金屬間化合物、β-Ti固溶體和α-Ti固溶體(鈦合金基體)。金屬間化合物中主要有σ相、Fe2Ti、FeTi等,金屬間化合物層的厚

9、度隨連接溫度的降低而減少。與常規(guī)粗晶試樣相比,經(jīng)相同擴散連接工藝連接后,表面自納米化試樣接頭中金屬間化合物的數(shù)量減少,分布得到了改善,從而提高了接頭的力學性能。對接頭拉伸斷口分析表明,斷裂發(fā)生在金屬間化合物與β-Ti固溶體交界區(qū)域,拉伸時β-Ti固溶體承受了主要拉伸載荷,金屬間化合物是導致裂紋擴展和斷裂的主要原因。
   對表面自納米化試樣中原子擴散動力學進行了計算,計算結果與常規(guī)粗晶試樣中對應的結果對比表明,F(xiàn)e、Ti原子的擴

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