CN102218592B - 一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法，将与焊接工件材质相同的板材叠预先焊出块体结构。沿块体结构纵向刨切成薄片，形成结构中间层(7)。将该中间层经过处理之后垂直置于焊接工件之间进行扩散焊。由于采用与工件同材质的中间层，使接头异质界面结合形式改变为一半同质工件的直接结合和一半异质工件的结合，最终实现钛或钛合金与不锈钢工件的高强连接。本发明使接头抗拉强度由现有直接扩散焊技术所得50～70％的弱侧工件强度提高到80％以上，可实现多种钛或钛合金与不锈钢工件的高强连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种扩散焊方法，尤其涉及一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法。
背景技术
钛或钛合金具有高的比强度，优异的抗腐蚀性以及良好的加工性，广泛应用于宇航、医疗、冶金等领域，被称为当代新崛起的第三金属。但限制钛合金应用推广的首要问题是价格昂贵。而不锈钢价格较低，是工业上较常用的一种材料。钛或钛合金与不锈钢的复合构件，能充分发挥二者在性能上与经济上的优势互补，在航空航天、国防及化学工业等部门有着广阔的应用前景。
真空扩散焊是一种精密的固相连接方法，它是指在一定的温度、压力、保压时间等条件下，使工件连接表面只产生微观塑性变形，界面处的原子相互扩散而形成接头。特别适合于性能差别大、互不溶解、相互间易产生脆性相的异种材料连接。
文献“Characterization of transition joint of commercially pure titanium to 304stainless steel，M.Ghosh，S.Chatterjee.Materials Characterization，2002，48(5)：393-399”公开了一种纯钛和304不锈钢直接扩散焊的方法，该方法所焊接头的最大抗拉强度仅为纯钛强度的68％，强度较低。
文献“Diffusion bonding of commercially pure titanium to 304 stainless steel usingcopper interlayer，S.Kundu，M.Ghosh，A.Laik，K.Bhanumurthy，G.B.Kale，S.Chatterjee.Materials Science and Engineering A，2005，407(1-2)：154-160”公开了一种添加铜中间层扩散焊纯钛和304不锈钢的方法，所得接头强度接近于纯钛的强度。然而，考虑到所添加第三种材料中间层往往降低了接头的耐蚀性和接头性能过渡的连续性，并且所采用的中间层材料微米级铜箔加工成本较高，所以这种方法在多数情况下是不允许的。
申请号为02133239.8的中国专利“钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法”公开了一种钛铝基合金和钢的活性复合梯度阻隔扩散焊方法，该方法通过将一系列微米级钛、镍、铜、铌金属箔加入二者之间，实现了二者的有效连接，但同样存在所用中间层成本高和降低接头耐蚀性及性能过渡连续性的缺点。
发明内容
为了克服直接扩散焊强度较低以及添加第三种材料中间层损失接头性能和成本较高的不足，本发明提出了一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法。
本发明采用与焊接工件材质相同的板材叠预先焊出块体结构，之后沿纵向加工出一些列厚度的薄片，将薄片经过处理之后垂直置于焊接工件之间进行扩散焊。所得接头抗拉强度可以达到弱侧工件强度的80％以上，可以满足绝大多数钛/钢复合构件的服役性能要求。
本发明的具体过程包括以下步骤，
步骤1，清理板材表面；选择相同厚度的钛或钛合金与不锈钢板材作为制备结构中间层的原材料。打磨板材的表面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm；将打磨后的浸入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干，得到清理后的钛或钛合金与不锈钢板材；所选择的钛或钛合金与不锈钢板材与焊接工件材质一致。
步骤2，叠放待焊块体；将处理过的钛或钛合金与不锈钢板材交替叠放，形成待焊块体。叠放时，须使待焊块体的纵截面面积略大于焊接工件的待焊面面积。
步骤3，焊接待焊块体。将待焊块体整体置于真空扩散焊炉内的上压头和下压头之间，在上压头和下压头与待焊块体之间放置阻焊层，进行焊接。焊接时对待焊块体施加预压力0.5～1MPa。真空扩散焊炉抽真空至3～6×10-3Pa。以10℃/min的速率对真空扩散焊炉加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。将炉温升至900～950℃，加压5～8MPa，保温60min。保温结束后随炉冷却至100℃。冷却过程中保压。
步骤4，制备结构中间层；将焊好的块体结构沿纵向刨切成0.5～2mm的薄片，形成结构中间层。打磨结构中间层表面和焊接工件的待焊面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。将打磨后的结构中间层和焊接工件放入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干备用。
步骤5，焊接；将清理好的中间层置于焊接工件之间，形成待焊复合构件，并整体置于真空扩散焊炉内的上压头和下压头之间，在上压头和下压头与待焊复合构件之间放置阻焊层，进行焊接。焊接时对待焊复合构件施加预压力0.5～1MPa。真空扩散焊炉抽真空至3～6×10-3Pa。以10℃/min的速率对真空扩散焊炉加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。将炉温升至900～950℃，加压5～8MPa，保温60min。保温结束后随炉冷却至100℃，冷却过程中保压，得到钛或钛合金与不锈钢的复合构件。
所述的制备结构中间层的原材料的厚度为1～3mm。
本发明的有益效果是：首先，采用和待焊钛或钛合金与不锈钢工件同质材料的板材叠焊成块体结构，将块体结构刨切成一定厚度的结构中间层；然后，将该结构中间层置于待焊的钛或钛合金与不锈钢工件之间实现二者的扩散焊接，即将接头异质界面结合形式改变为一半同质工件的直接结合和一半异质工件的结合，其接头形式的宏观形貌如图4所示，并最终实现钛或钛合金与不锈钢工件的高强连接。使接头抗拉强度由现有直接扩散焊技术所得50～70％的弱侧工件强度提高到80％以上，可实现多种钛或钛合金与不锈钢工件的高强连接。
附图说明
图1是本发明预先制备扩散焊用结构中间层的焊接装卡结构示意图；
图2是本发明扩散焊钛或钛合金与不锈钢工件所用的装卡结构示意图；
图3是本发明扩散焊方法的流程框图；
图4是本发明扩散焊所得接头的宏观形貌照片。附图中，
1.上压头1 2.阻焊层2 3.钛或钛合金板材 4.不锈钢板材 5.下压头
6.钛或钛合金工件 7.结构中间层 8.不锈钢工件
具体实施方式
以下实施例参照附图1～3。
实施例1
本实施例是一种TA1工业纯钛与00Cr19Ni10不锈钢扩散焊的方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，清理板材表面；选择厚度均为2mm的TA1工业纯钛板材和00Cr19Ni10不锈钢板材数块作为制备结构中间层的原材料。采用金相砂纸对板材表面进行打磨，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。之后将处理好的板材浸入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干，得到清理后的TA1工业纯钛板材和00Cr19Ni10不锈钢板材。超声波功率为600W。
步骤2，叠放待焊块体；将处理过的TA1工业纯钛板材3和00Cr19Ni10不锈钢板材4按一块TA1工业纯钛板材、一块00Cr19Ni10不锈钢板材、一块TA1工业纯钛板材的方式交替叠放，形成待焊块体。叠放时，须使沿待焊块体的高度方向的截面面积，即待焊块体的纵截面面积略大于焊接工件的待焊面面积。
步骤3，焊接待焊块体；将待焊块体整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头之间，在上压头1与待焊块体上表面之间和下压头5与待焊块体下表面之间分别放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时，对待焊块体施加0.5MPa预压力，关闭炉门，抽真空至4.5×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至900℃，加压5MPa，保温60min。保温结束后随炉冷却至100℃，冷却过程中继续保持压力。
步骤4，制备结构中间层；将焊好的块体结构沿纵向刨切成1.5mm的薄片，形成结构中间层7。打磨结构中间层7表面和TA1工业纯钛工件6与00Cr19Ni10不锈钢工件8的待焊面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。将打磨后的结构中间层和焊接工件放入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干备用。超声波功率为600W。
步骤5，焊接；将清理好的结构中间层7置于TA1工业纯钛工件6与00Cr19Ni10不锈钢工件8之间，形成待焊复合构件。之后将待焊复合构件整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头5之间。在上压头1与待焊复合构件上表面之间和下压头5与待焊复合构件下表面之间放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时对待焊复合构件施加0.5MPa预压力，关闭炉门，抽真空至4.5×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至900℃，加压5MPa，保温60min，保温结束后随炉冷却至100℃，得到TA1工业纯钛与00Cr19Ni10不锈钢的复合构件。冷却过程中继续保持压力。
经测试，所得接头的抗拉强度为285MPa，达到了被焊TA1工业纯钛抗拉强度(343MPa)的83％。
实施例2
本实施例是一种TA2工业纯钛与1Cr18Ni9Ti不锈钢扩散焊的方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，清理板材表面；选择厚度均为3mm的TA2工业纯钛板材和1Cr18Ni9Ti不锈钢板材数块作为制备结构中间层的原材料。采用金相砂纸对板材表面进行打磨，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。之后将处理好的板材浸入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干，得到清理后的TA2工业纯钛板材和1Cr18Ni9Ti不锈钢板材。超声波功率为600W。
步骤2，叠放待焊块体；将处理过的TA2工业纯钛板材3和1Cr18Ni9Ti不锈钢板材4按一块1Cr18Ni9Ti不锈钢板材、一块TA2工业纯钛板材、一块1Cr18Ni9Ti不锈钢板材的方式交替叠放，形成待焊块体。叠放时，须使沿待焊块体的高度方向的截面面积，即待焊块体的纵截面面积略大于焊接工件的待焊面面积。
步骤3，焊接待焊块体；将待焊块体整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头之间，在上压头1与待焊块体上表面之间和下压头5与待焊块体下表面之间分别放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时，对待焊块体施加1MPa预压力，关闭炉门，抽真空至5×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至920℃，加压5MPa，保温60min。保温结束后随炉冷却至100℃，冷却过程中继续保持压力。
步骤4，制备结构中间层；将焊好的块体结构沿纵向刨切成2mm的薄片，形成结构中间层7。打磨结构中间层7表面和TA2工业纯钛工件6与1Cr18Ni9Ti不锈钢工件8的待焊面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。将打磨后的结构中间层和焊接工件放入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干备用。超声波功率为600W。
步骤5，焊接；将清理好的结构中间层7置于TA2工业纯钛工件6与1Cr18Ni9Ti不锈钢工件8之间，形成待焊复合构件。之后将待焊复合构件整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头5之间。在上压头1与待焊复合构件上表面之间和下压头5与待焊复合构件下表面之间放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时对待焊复合构件施加1MPa预压力，关闭炉门，抽真空至5×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至920℃，加压5MPa，保温60min，保温结束后随炉冷却至100℃，得到TA2工业纯钛与1Cr18Ni9Ti不锈钢的复合构件。冷却过程中继续保持压力。
经测试，所得接头的抗拉强度为373MPa，达到了被焊TA2工业纯钛抗拉强度(441MPa)的85％。
实施例3
本实施例是一种TA7钛合金与0Cr18Ni9不锈钢扩散焊的方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，清理板材表面；选择厚度均为2mm的TA7钛合金板材和0Cr18Ni9不锈钢板材数块作为制备结构中间层的原材料。采用金相砂纸对板材表面进行打磨，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。之后将处理好的板材浸入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干，得到清理后的TA7钛合金板材和0Cr18Ni9不锈钢板材。超声波功率为600W。
步骤2，叠放待焊块体；将处理过的TA7钛合金板材3和0Cr18Ni9不锈钢板材4按一块TA7钛合金板材、一块0Cr18Ni9不锈钢板材、一块TA7钛合金板材的方式交替叠放，形成待焊块体。叠放时，须使沿待焊块体的高度方向的截面面积，即待焊块体的纵截面面积略大于焊接工件的待焊面面积。
步骤3，焊接待焊块体；将待焊块体整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头5之间，在上压头1与待焊块体上表面之间和下压头5与待焊块体下表面之间分别放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时，对待焊块体施加0.5MPa预压力，关闭炉门，抽真空至4×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至950℃，加压8MPa，保温60min。保温结束后随炉冷却至100℃，冷却过程中继续保持压力。
步骤4，制备结构中间层；将焊好的块体结构沿纵向刨切成1.5mm的薄片，形成结构中间层7。打磨结构中间层7表面和TA7钛合金工件6与0Cr18Ni9不锈钢工件8的待焊面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。将打磨后的结构中间层和焊接工件放入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干备用。超声波功率为600W。
步骤5，焊接；将清理好的结构中间层7置于TA7钛合金工件6与0Cr18Ni9不锈钢工件8之间，形成待焊复合构件。之后将待焊复合构件整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头5之间。在上压头1与待焊复合构件上表面之间和下压头5与待焊复合构件下表面之间放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时对待焊复合构件施加0.5MPa预压力，关闭炉门，抽真空至4×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至950℃，加压8MPa，保温60min，保温结束后随炉冷却至100℃，得到TA7钛合金与0Cr18Ni9不锈钢的复合构件。冷却过程中继续保持压力。
经测试，所得接头的抗拉强度为421MPa，达到了被焊0Cr18Ni9不锈钢抗拉强度(520MPa)的81％。
实施例4
本实施例是一种TC4钛合金与0Cr17Ni12Mo2不锈钢扩散焊的方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，清理板材表面；选择厚度均为1mm的TC4钛合金板材和0Cr17Ni12Mo2不锈钢板材数块作为制备结构中间层的原材料。采用金相砂纸对板材表面进行打磨，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。之后将处理好的板材浸入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干，得到清理后的TC4钛合金板材和0Cr17Ni12Mo2不锈钢板材。超声波功率为600W。
步骤2，叠放待焊块体；将处理过的TC4钛合金板材3和0Cr18Ni9不锈钢板材4按一块0Cr17Ni12Mo2不锈钢板材、一块TC4钛合金板材、一块0Cr17Ni12Mo2不锈钢板材的方式交替叠放，形成待焊块体。叠放时，须使沿待焊块体的高度方向的截面面积，即待焊块体的纵截面面积略大于焊接工件的待焊面面积。
步骤3，焊接待焊块体；将待焊块体整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头5之间，在上压头1与待焊块体上表面之间和下压头5与待焊块体下表面之间分别放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时，对待焊块体施加1MPa预压力，关闭炉门，抽真空至3.5×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至950℃，加压8MPa，保温60min。保温结束后随炉冷却至100℃，冷却过程中继续保持压力。
步骤4，制备结构中间层；将焊好的块体结构沿纵向刨切成1mm的薄片，形成结构中间层7。打磨结构中间层7表面和TC4钛合金工件6与0Cr17Ni12Mo2不锈钢工件8的待焊面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm。将打磨后的结构中间层和焊接工件放入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干备用。超声波功率为600W。
步骤5，焊接；将清理好的结构中间层7置于TC4钛合金工件6与0Cr17Ni12Mo2不锈钢工件8之间，形成待焊复合构件。之后将待焊复合构件整体置于真空扩散焊炉内的上压头1和下压头之间。在上压头1与待焊复合构件上表面之间和下压头5与待焊复合构件下表面之间放置云母阻焊层2，进行焊接。焊接时对待焊复合构件施加1MPa预压力，关闭炉门，抽真空至3.5×10-3Pa时，开始以10℃/min的速率加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min。随后将温度升至950℃，加压8MPa，保温60min，保温结束后随炉冷却至100℃，得到TC4钛合金与0Cr17Ni12Mo2不锈钢的复合构件。冷却过程中继续保持压力。
经测试，所得接头的抗拉强度为426MPa，达到了被焊0Cr17Ni12Mo2不锈钢抗拉强度(520MPa)的82％。
Claims (2)
1.一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法，其特征在于，其具体过程包括以下步骤，
步骤1，清理板材表面；选择相同厚度的钛或钛合金与不锈钢板材作为制备结构中间层的原材料；打磨板材的表面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm；将打磨后的板材浸入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干，得到清理后的钛或钛合金与不锈钢板材；所选择的钛或钛合金与不锈钢板材与焊接工件材质一致；
步骤2，叠放待焊块体；将处理过的钛或钛合金与不锈钢板材交替叠放，形成待焊块体；叠放时，须使待焊块体的纵截面面积略大于焊接工件的待焊面面积；
步骤3，焊接待焊块体；将待焊块体整体置于真空扩散焊炉内的上压头和下压头之间，在上压头和下压头与待焊块体之间放置阻焊层，进行焊接；焊接时对待焊块体施加预压力0.5～1MPa；真空扩散焊炉抽真空至3～6×10-3Pa；以10℃/min的速率对真空扩散焊炉加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min；将炉温升至900～950℃，加压5～8MPa，保温60min；保温结束后随炉冷却至100℃；冷却过程中保压；
步骤4，制备结构中间层；将焊好的块体结构沿纵向刨切成0.5～2mm的薄片，形成结构中间层；打磨结构中间层表面和焊接工件的待焊面，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm；将打磨后的结构中间层和焊接工件放入丙酮中超声波清洗5min，冷风吹干备用；
步骤5，焊接；将清理好的中间层置于焊接工件之间，形成待焊复合构件，并整体置于真空扩散焊炉内的上压头和下压头之间，在上压头和下压头与待焊复合构件之间放置阻焊层，进行焊接；焊接时对待焊复合构件施加预压力0.5～1MPa；真空扩散焊炉抽真空至3～6×10-3Pa；以10℃/min的速率对真空扩散焊炉加热，将炉温由室温升至230℃时保温10min；将炉温升至900～950℃，加压5～8MPa，保温60min；保温结束后随炉冷却至100℃，冷却过程中保压；得到钛或钛合金与不锈钢的复合构件。
2.如权利要求1所述一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法，其特征在于，制备结构中间层的原材料的厚度为1～3mm。
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