Cr、V粉末層介入對鈦-鋼電阻釬焊接頭組織和性能的影響機(jī)制.pdf

1、將不銹鋼與鈦合金連接起來所獲得的構(gòu)件既具有兩者優(yōu)異的力學(xué)性能，又節(jié)約了稀有資源，能充分發(fā)揮兩者性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢互補(bǔ)，并在石油化工，航天航空，交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但由于Fe、Ti原子之間的冶金不兼容性，在焊接過程中極易生成硬而脆的Fe-Ti系金屬間化合物，同時(shí)物理性能的差異導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生較大的殘留內(nèi)應(yīng)力，惡化了接頭的力學(xué)性能。選擇Cr、V元素作為粉末介入層的組成元素，在鈦合金與不銹鋼母材匹配面上分別平鋪具有一定質(zhì)量的均勻

2、V、Cr粉末層，探索了一種獲得有粉末層介入的鈦/鋼電阻釬焊接頭的焊接工藝方法，實(shí)驗(yàn)研究了不同的粉末介入方式，工藝參數(shù)，粉末添加量等因素對釬焊冶金反應(yīng)過程的影響，探討了Cr、V粉末層介入對鈦/鋼異質(zhì)接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響機(jī)制。研究工作的初步結(jié)論如下：
　　(1)根據(jù)粉末層介入方式的不同，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四種類型接頭。無粉末層介入的I型接頭，鈦合金側(cè)和不銹鋼側(cè)分別介入V、Cr粉末層的II、III型接頭，兩側(cè)同時(shí)介入Cr、V粉末層的IV

3、型接頭。通過對不同類型接頭抗剪強(qiáng)度測試和SEM、XRD等顯微分析結(jié)果表明，Cr、V粉末層介入使釬焊接頭組織中的Fe-Ti脆性相數(shù)量顯著減少，II、III、IV類接頭抗剪強(qiáng)度都明顯高于I類接頭。但由于III型接頭中V熔點(diǎn)較高，簇團(tuán)未能被全部解離，除部分在鈦合金表面形成了Ti-V擴(kuò)散反應(yīng)層，及在不銹鋼側(cè)形成了部分σ-FeV脆性相，大部分V仍以顆粒狀簇團(tuán)的形式鑲嵌在接頭中。簇團(tuán)之間間隙較大，對Ti原子擴(kuò)散的阻礙作用較小，使III型接頭Cu-T

4、i、Cr-Ti等脆性相生成量明顯多于Cr粉介入的II型接頭，III型接頭強(qiáng)度明顯低于II型接頭。IV接頭中，Cr、V同時(shí)作用下，在鈦合金、不銹鋼側(cè)分別形成了Cr-Fe、Ti-V等相的反應(yīng)擴(kuò)散層，Ti基及σ-FeV脆性相的生成量明顯少于II、III型接頭，故Cr、V粉末層同時(shí)介入對接頭抗剪強(qiáng)度的改善更顯著。
　　(2)電阻釬焊的工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力、釬料片厚度、電極頭斷面尺寸和釬料鋪展面積等，主要考察了焊接電

5、流I、焊接時(shí)間T和電極壓力P等3個(gè)參數(shù)對有粉末層介入的鈦/鋼異質(zhì)接頭的組織和性能的影響規(guī)律。通過對IV型接頭在僅改變其中1個(gè)參數(shù)的接頭顯微組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)過大或過小都不利于改善接頭的組織。當(dāng)參數(shù)選擇較小時(shí)，IV型接頭中原子的擴(kuò)散能力較弱，母材近表面未能形成有效的Cr-Fe、Ti-V擴(kuò)散反應(yīng)層，焊縫為Ag45CuZn釬料與殘留Cr、V粉末簇團(tuán)的混合組織。當(dāng)參數(shù)選擇較大時(shí)，IV接頭中原子間擴(kuò)散劇烈，母材近表面的擴(kuò)散反應(yīng)層中除Cr-Fe

6、、Ti-V組織外，還存在Cu-Ti、Cr-Ti等脆性相。當(dāng)參數(shù)匹配合理時(shí)，介入粉末層中的Cr、V原子擴(kuò)散，在母材近表面形成了明顯的Cr-Fe、Ti-V擴(kuò)散反應(yīng)層，焊縫中Fe-Ti、Cu-Ti、Cr-Ti等脆性金屬間化合物幾乎消失。通過對不同參數(shù)下的接頭抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果表明，當(dāng)焊接電流為3.5kA，焊接時(shí)間為2.0s，電極壓力為0.4MPa時(shí)，IV型接頭可獲得相對較高的抗剪強(qiáng)度，達(dá)186.92MPa。
　　(3)粉末添加量對母

7、材原子的擴(kuò)散行為有顯著的影響。當(dāng)添加量較少（如m=0.01g）時(shí)，焊縫中粉末簇團(tuán)遷移距離增加，各區(qū)域添加的Cr、V元素的原子濃度降低。簇團(tuán)間隙擴(kuò)大使Ti、Fe原子擴(kuò)散路徑增加，導(dǎo)致母材近表面的擴(kuò)散反應(yīng)層主要由Cu-Ti、Cr-Ti等脆性相組成，成為接頭的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)添加量較多（如m=0.04g）時(shí)，母材近表面形成的Ti-V、Cr-Fe擴(kuò)散反應(yīng)層減少了Ti基脆性相的生成。但添加的Cr、V粉末的擴(kuò)散能力有限，焊縫中出現(xiàn)大量的未參與反應(yīng)的殘留

8、Cr、V粉末簇團(tuán)，嚴(yán)重破壞了焊縫組織的均勻性，使接頭質(zhì)量明顯惡化。合適的添加量既能保證原子擴(kuò)散，又使Cr、V原子與Fe、Ti原子反應(yīng)充分，并在母材近表面分別形成新的Cr-Fe和Ti-V組織，顯著減少了Ti基脆性相的產(chǎn)生。同時(shí)焊縫中殘留簇團(tuán)數(shù)量較少，有利于改善接頭組織，獲得相對較高的力學(xué)性能。當(dāng)Cr粉添加量為可0.02g，V粉添加量為0.03g時(shí)，接頭的抗剪強(qiáng)度可達(dá)204MPa。400目和2000目兩種顆粒度粉末對比試驗(yàn)表明，顆粒度較大時(shí)