純鈦及Ti-6Al-4V合金及其與304不銹鋼及Inconel鎳基合金的連接研究.pdf

1、鈦合金具有高比強度和優(yōu)良的耐腐蝕性能，是航空航天，化工制造等領(lǐng)域首選的結(jié)構(gòu)材料。但是，由于鈦合金高昂的制備和加工成本，其應(yīng)用范圍大大受限。開發(fā)鈦合金新型低成本連接成形技術(shù)，減少加工過程中材料浪費；以及將鈦合金與異種材料連接，制備復(fù)合構(gòu)件，減少鈦合金用量，是充分開發(fā)鈦合金性能優(yōu)勢，控制鈦合金應(yīng)用成本的有效手段。本文針對鈦合金釬焊過程中釬料制備困難問題，開發(fā)了采用純Ni，純Cu及Cu-Ti-Cu復(fù)合填料的鈦合金低成本瞬時液相(TLP)連接工

2、藝。同時，為解決鈦/異種金屬連接時界面脆性金屬間化合物惡化接頭力學(xué)性能問題，設(shè)計了基于 Nb中間層的鈦合金/異種金屬部分瞬時液相(PTLP)連接工藝，通過釬料/中間層設(shè)計實現(xiàn)了鈦/異種金屬接頭組織的調(diào)控，改善了力學(xué)性能。
　　為研究鈦基材料在釬焊過程中接頭的組織和力學(xué)性能演變規(guī)律，采用Ag-28Cu和非晶Ti-Zr-Cu-Ni釬料對純鈦(CP-Ti)進行了釬焊。結(jié)果表明，當(dāng)采用Ag-28Cu在850 ℃釬焊CP-Ti時，釬料中的C

3、u優(yōu)先與Ti反應(yīng)，在接頭界面生成Ti-Cu共析組織，Ti2Cu，TiCu，Ti3Cu4，Cu4Ti以及殘余富Ag相。隨著釬焊時間延長，接頭中TiCu相數(shù)量明顯增加，而Ti3Cu4和Cu4Ti全部消失。由于TiCu層厚度明顯增加，接頭強度隨保溫時間延長而明顯降低。當(dāng)采用非晶Ti-Zr-Cu-Ni釬料在900 ℃下釬焊CP-Ti時，釬料中的Cu，Ni元素不斷向基體擴散，生成Ti2Cu，Ti2Ni等金屬間化合物，以及Ti-(Cu, Ni)共析

4、組織。隨保溫時間延長，接頭中Cu，Ni元素濃度不斷降低，當(dāng)保溫60 min時接頭實現(xiàn)充分均勻化，得到無脆性金屬間化合物接頭。在拉伸載荷下，充分均勻化接頭的斷裂發(fā)生在母材，說明接頭強度超過母材。
　　為克服非晶Ti-Zr-Cu-Ni釬料制備困難的問題，開發(fā)了采用純Ni和純Cu中間層的Ti-6Al-4V(Ti64)合金TLP連接工藝。在外加載荷1 MPa條件下，采用Ni中間層TLP連接Ti64時，當(dāng)連接溫度達到960 ℃，中間層可完全

5、參與反應(yīng)，生成Ti-Ni共晶液相。隨著接頭在930 ℃保溫時間的延長，接頭中Ni含量逐漸降低，在保溫20 min時實現(xiàn)充分均勻化，得到力學(xué)性能與母材相當(dāng)?shù)慕宇^。采用Cu中間層TLP連接Ti64時，在930 ℃即可實現(xiàn)Ti-Cu共晶液相對母材表面的潤濕，并隨即發(fā)生完全等溫凝固，轉(zhuǎn)變成 TiCu。在均勻化過程中，由于 Cu不斷向基體擴散，TiCu轉(zhuǎn)變成為Ti2Cu，再轉(zhuǎn)變成為含有少量Cu的β-Ti。在冷卻至室溫過程中，Cu以共析Ti2Cu形

6、式在α-Ti晶界析出，形成α-Ti+條狀Ti2Cu組成的接頭。在拉伸試驗中，接頭斷裂發(fā)生在母材，說明接頭力學(xué)性能優(yōu)于母材。為了克服采用純 Ni，純 Cu中間層TLP連接時需要外加載荷問題，設(shè)計了預(yù)壓連接Cu-Ti-Cu復(fù)合中間層，并在無載荷條件下對Ti64進行了TLP連接。結(jié)果表明，當(dāng)連接溫度達到930 ℃，復(fù)合中間層可以在無外加載荷條件下實現(xiàn)完全熔化，并充分潤濕母材表面。采用Cu-Ti-Cu復(fù)合中間層TLP連接Ti-6Al-4V接頭均

7、勻化過程中接頭組織和力學(xué)性能演變規(guī)律與采用純Cu中間層時一致，但由于中間層完全熔化導(dǎo)致的對母材更為顯著的溶蝕，其均勻化進程快于采用純Cu中間層。
　　采用Nb/Cu復(fù)合中間層對Ti64和304不銹鋼(SS)進行了擴散連接研究。結(jié)果表明，Nb/Cu復(fù)合中間層可以有效避免界面金屬間化合物的生成，在Ti/Nb和Cu/SS界面分別生成Ti-Nb和Fe-Cu固溶體。在Nb/Cu界面，采用消耗性Ti中間層可以有效克服Nb-Cu體系的不互溶性，

8、促進Nb/Cu間的冶金連接。在Nb-Ti-Cu界面， Ti同時與Nb和Cu反應(yīng)，生成(Nb, Ti)固溶體和一系列Ti-Cu金屬間化合物。隨著保溫時間的延長，Nb/Cu間的Ti不斷稀釋，直至其不足以形成穩(wěn)定的化合物，從而得到Nb-Cu-Ti三元固溶體組成的Nb/Cu界面。最終，在850 ℃，保溫60 min條件下得到由(Ti, Nb)固溶體/Nb/Nb-Cu-Ti固溶體/Cu/(Fe, Cu)固溶體組成的Ti64/304 SS接頭。在拉

9、伸試驗中，接頭沿Cu中間層發(fā)生韌斷，接頭強度達到540 MPa，說明接頭脆性被完全消除。還研究了溫度對Nb-Ti-Cu界面組織的影響。當(dāng)溫度超過Ti-Cu共晶點875 ℃時，在Nb-Ti-Cu界面產(chǎn)生共晶液相，并快速等溫凝固形成顆粒狀TiCuNb相和Cu4Ti相。此時Nb-Ti-Cu界面實為TLP連接，由于固液界面元素擴散的增強，接頭均勻化明顯加快。
　　受Ti-Cu共晶點以上Nb-Ti-Cu界面組織演變所啟發(fā)，開發(fā)了針對Ti64

10、/Cu異種材料連接的 PTLP連接技術(shù)。即以 Nb為核心難熔中間層，通過預(yù)壓連接制備Cu/Ti/Nb/Ti/Cu中間層。在910 ℃下，Nb兩側(cè)Cu/Ti層發(fā)生共晶反應(yīng)，分別潤濕Ti64和Cu母材。當(dāng)保溫時間延長至60 min，接頭充分均勻化，在Ti64/Nb界面， Cu逐漸稀釋，得到Ti-Cu共析組織；在Nb/Cu界面，Ti充分稀釋，得到Nb-Cu-Ti三元固溶體。拉伸實驗結(jié)果表明，充分均勻化接頭斷裂發(fā)生在Cu母材，說明Ti-Nb界面

11、的共析組織沒有對接頭強度產(chǎn)生不利影響，接頭力學(xué)性能優(yōu)于Cu母材。
　　采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶釬料/Nb中間層/AgCuTi活性釬料組合PTLP連接CP-Ti和Inconel625合金時，隨著保溫時間的延長，在Ti/Nb界面，Ti基釬料中的Cu， Ni元素被充分稀釋，得到(Ti, Nb)固溶體；在Nb/AgCuTi界面，釬料中的Ti與Nb反應(yīng)，實現(xiàn)冶金連接；在AgCuTi/Inconel625界面，生成(Cu, Ni)固溶體