CN107030367A - 钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法 - Google Patents

钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，属于异种金属焊接领域，主要包括如下步骤：待焊表面清理，试样装配，采用扩散焊方法施焊。本发明提出的钛合金与不锈钢异种金属的焊接方法，特征在于钛合金与不锈钢之间采用铜、铌双过渡层，叠放顺序为钛合金‑铌箔‑铜箔‑不锈钢，通过调整扩散焊接温度、时间、压力等参数及中间层厚度，可在焊缝处形成固溶体过渡，从而阻止钛、铁元素相互扩散，避免脆性钛铁金属间化合物的形成。该方法所得焊缝具有塑性断裂的特征，抗拉强度高，无气孔及裂纹等优点。

Description

钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法
技术领域
本发明涉及材料焊(连)接领域，特别涉及一种钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法。
背景技术
微型金属杜瓦装置为红外焦平面探测器的低温工作环境提供良好的电、机、热、光传输通道，是红外焦平面探测器封装和保护的关键装置。钛合金与不锈钢是杜瓦装置主要使用的材料。但是，针对杜瓦材料所使用的钛合金与不锈钢异种金属之间的焊接却存在较多的问题，不同金属材料在物理与化学性能上的差异(如膨胀系数、比热容、热导率、熔点、化学成分等的差异)会导致焊接接头形成较大的残余应力。Ti元素与不锈钢中的Fe、Cr、C元素极易形成大量TiFe、TiFe2、σ及TiC等脆性相，导致焊件在焊接应力作用下断裂。
钛和钛合金由于其高强韧性、高的熔点，极好的腐蚀性能和低的密度被广泛应用于石油化工、低温和航空工业；不锈钢因具有塑性韧性好、焊接性能良好、突出的机械性能和耐腐蚀性等优点，常被应用于工业制造。将钛合金与不锈钢连接形成复合构件，在航空航天、石油化工、机械电子、交通运输等领域的机械设备和机件中有广泛的应用。扩散焊是指在焊件熔点以下温度，两表面通过外加压力相互接触，发生蠕变和原子扩散作用，从而使结合面孔隙闭合，实现冶金连接的一种焊接方式。其具有近净成形的特点，适合于异种金属间的焊接。
中国发明专利申请CN102728937A公开了一种钛合金与奥氏体不锈钢异种金属的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：经打磨和装配后的钛合金与奥氏体不锈钢工件在施焊之前预热至350℃以上；在氩气保护下进行钛合金与不锈钢脉冲钨极氩弧焊的焊接。该方法所得焊缝残余应力较高，脆性金属化合物大量存在，不利于获得性能稳定的焊接接头。
中国发明专利申请CN103192195A公开了一种钛合金与不锈钢电子束焊接方法，该方法采用钒层和铜铬合金层作为电子束焊接填充材料，铜铬合金包含未氧化的铜粉、铬粉、镍粉和钛粉，将这些粉末在氩气保护下进行球磨混料，然后在真空热压烧结炉内热压烧结成形，制备成铜铬合金板。从铜铬合金板及钒铸锭上切取合适厚度作为填充层，采用双道焊接工艺进行电子束焊接。该焊接方法实现了钛合金与不锈钢的有效连接，但存在工件尺寸限制，步骤繁琐，需多次焊接，容易形成较大的焊接残余应力等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的钛合金与不锈钢焊接性能不佳的不足，提供一种钛合金与不锈钢异种金属扩散焊方法。针对常用的氩弧焊、电子束焊工艺的局限性，提供异种金属扩散焊接方法，利用双过渡金属层扩散连接，优化钛合金与不锈钢之间的焊接质量。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种钛合金与不锈钢异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：
一种钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：
试样表面清理步骤：对钛合金与不锈钢待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm,从而促进待焊表面的良好接触；由于钛合金与铜箔表面容易形成氧化膜,不利于扩散过程中原子的扩散,同时,氧原子的引入会弱化焊接质量,因此,需采用氢氟酸及硝酸的混合溶液，去除钛合金表面氧化膜；采用H2SO4溶液，去除铜箔表面氧化膜；将打磨后的试样、铜箔及铌箔放入丙酮中超声清洗10～15min，用酒精擦拭待焊表面，去除表面油污等残留,冷风吹干，得到清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔；
试样叠放步骤：将试样表面清理步骤的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔交替叠放；放置时，顺序为钛合金-铌箔-铜箔-不锈钢或不锈钢-铜箔-铌箔-钛合金,即钛合金需与铌箔相接触,不锈钢需与铜箔相接触,钛合金与不锈钢位于箔片两侧；
焊接步骤：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15～30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至5×10-1Pa以下；以5-20℃/min的速率升温，将炉温升至一定温度后，进行初次保温保压，促进钛合金-铌箔-铜箔-不锈钢之间界面接触；然后降低压力，升温至扩散焊接温度，进行二次保温保压；保温保压结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却。
本发明采用两次保温保压，有利于界面闭合，并防止试样变形；采用过渡层可实现钛合金与铌箔之间、铜箔与不锈钢之间形成固溶体，无脆性金属间化合物生成，有助于得到塑性接头；本发明通过采用焊后缓冷的方法，有助于消除了界面焊接应力，提高钛合金与不锈钢复合构件的力学性能。通过本发明方法工艺简单、高效，对工件形状尺寸要求较少，能够广泛的应用于钛合金与不锈钢之间的焊接。
进一步根据本发明实施例，所述铜箔和铌箔的纯度大于98wt％，选用铜箔和铌箔作为过渡层可以更好的实现钛合金与不锈钢的焊接，因为铜箔和铌箔具有优良的塑性且钛合金与铌箔之间、铜箔与不锈钢之间均可形成固溶体，无脆性金属间化合物生成，可实现优异的焊接效果，更优选情况下，铜箔和铌箔纯度大于99.9wt％。
进一步，根据本发明实施例，所述铜箔的厚度为10～40μm，铌箔的厚度为20～50μm。该厚度下的铜箔与可以保障铜-不锈钢界面、铜-铌界面和铌-钛合金界面形成足够厚度的固溶带且剩余的金属可以阻止铁元素与铌元素、钛元素与铜元素聚集，优选的，铜箔的厚度为20～35μm，铌箔的厚度为25～40μm。
进一步，根据本发明实施例，初次保温保压时，保温温度为600～800℃，压力为10～50MPa，保温时间为20～60min。通过较低温度施加较高压力可实现界面孔隙闭合，且不使工件变形。优选的，初次保温温度为700～800℃，压力为25～35MPa，保温时间为20～40min。
进一步，根据本发明实施例，二次保温保压时，保温温度为800～1000℃，压力为5～20MPa，保温时间为20～150min。优选的，扩散焊保温温度800～900℃，保温保压时间为20～90min。
进一步，根据本发明实施例，保温结束后，缓冷速率为3-20℃/min，优选控制缓冷降温速率为5℃/min，缓冷结束温度为400～600℃。冷却过程中，钛合金与不锈钢膨胀系数不同，较慢的冷却速度可以减小热胀冷缩不均匀导致的热应力。但是，当炉温降低到600℃后，炉内降温速率缓慢，可直接采取炉冷。优选的，缓冷结束温度为500～600℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)、本发明采用两次保温保压，有利于界面闭合，并防止试样变形。
(2)、本发明所用过渡层可实现钛合金与铌箔之间、铜箔与不锈钢之间形成固溶体，无脆性金属间化合物生成，有助于得到塑性接头。
(3)、本发明通过采用焊后缓冷的方法，有助于消除了界面焊接应力，提高钛合金与不锈钢复合构件的力学性能。
(4)、本发明方法工艺简单、高效，对工件形状尺寸要求较少，能够广泛的应用于钛合金与不锈钢之间的焊接。
附图说明
图1为本发明的钛合金与不锈钢扩散焊所用的装卡结构示意图；
图2为实施例8扩散焊截面金相显微组织图，其中左侧是不锈钢，右侧为钛合金；
图3为实施例8中拉伸试样断裂形貌图；
其中1为上压头，2为钛合金，3为铜箔，4为不锈钢，5为垫块(包括上垫块和下垫块)，6为下压头，7为铌箔，8为热电偶。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明在焊接过程中，需要调整真空和压力，其具体设备如图1所述，包括上压头1、垫块5(包括上垫块和下垫块)、下压头6和热电偶8。通过上压头1和下压头6可以实现对焊接部件加压。其中热电偶8用于加热升温。整个设备应当处于可抽真空环境中。总之，只要能够调整温度，压强和真空度的都可以，这只是一个示范例子。
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明实施例中涉及的钛合金和不锈钢由中国科学院上海技术物理所提供，铜箔和铌箔购于北京中金研新材料科技有限公司。
实施例1
对TC4钛合金与316L不锈钢待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm；采用氢氟酸及硝酸的混合溶液，去除钛合金表面氧化膜；并采用H2SO4溶液，去除铜箔表面氧化膜；将打磨后的试样，20μm铜箔及40μm铌箔放入丙酮中超声清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干，得到清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔。将所得表面清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔按钛合金/铌箔/铜箔/不锈钢依次叠放，或不锈钢/铜箔/铌箔/钛合金依次叠放，使用图1中所示的真空热压设备进行压制。在压制的过程中，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力20MPa，卸压；真空热压炉抽真空至(2～5)×10-1Pa；以10℃/min的速率升温，将炉温升至700℃，加压至40MPa，进行初次保温保压40min，促进钛合金/铌箔/铜箔/不锈钢之间界面接触；然后降低压力至10MPa，升温至扩散焊接温度850℃，进行二次保温保压90min；保温保压结束后，卸压，先以5℃/min的速率缓冷至600℃，然后随炉冷却，得到TC4钛合金与316L不锈钢的复合构件。
实施例2
采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与不锈钢的焊接。除降低压力至10MPa，升温至扩散焊接温度870℃，进行二次保温保压90min；其他条件与实施例1一样。
实施例3
采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与不锈钢的焊接。除降低压力至10MPa，升温至扩散焊接温度900℃，进行二次保温保压90min；其他条件与实施例1一样。
实施里4
采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与不锈钢的焊接。除降低压力至10MPa，升温至扩散焊接温度920℃，进行二次保温保压90min；其他条件与实施例1一样；
实施例5
采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与不锈钢的焊接。除降低压力至10MPa，升温至扩散焊接温度950℃，进行二次保温保压90min外；其他条件与实施例1一样；
实施例1-5，在不同扩散焊接温度下进行了测试，结果如下：
表1钛合金/不锈钢焊接部件力学性能
试样 抗拉强度(MPa) 断口性质
实施例1(850℃) 357.28 韧性
实施例2(870℃) 403.14 韧性
实施例3(900℃) 468.69 韧性
实施例4(920℃) 281.29 韧脆结合
实施例5(950℃) 52.71 脆性
由表1结果可知，当采用本发明的不锈钢和钛合金的焊接方案进行焊接连接的时候，二次保温温度对焊接接头强度及性质有较大影响，温度过低，界面扩散不充分，难以形成良好的冶金结合；温度偏高时，会导致铜箔熔化，在焊接界面处形成大量脆性金属间化合物，弱化焊接质量。连接处的结构稳定性与焊接温度之间有着显著的联系，优选温度为900℃。
实施例6
对TC4钛合金与316L不锈钢待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm；采用氢氟酸及硝酸的混合溶液，去除钛合金表面氧化膜；并采用H2SO4溶液，去除铜箔表面氧化膜；将打磨后的试样，25μm铜箔及30μm铌箔放入丙酮中超声清洗10min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干，得到清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔。将所得表面清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔按钛合金/铌箔/铜箔/不锈钢依次叠放，或不锈钢/铜箔/铌箔/钛合金依次叠放，使用图1中所示的真空热压设备进行压制。在压制的过程中，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力20MPa，卸压；真空热压炉抽真空至(2～5)×10-1Pa；以10℃/min的速率升温，将炉温升至750℃，加压至30MPa，进行初次保温保压30min，促进界面接触；然后降低压力至5MPa，升温至扩散焊接温度900℃，进行二次保温保压60min；保温保压结束后，卸压，先以5℃/min的速率缓冷至600℃，然后随炉冷却，得到TC4钛合金与316L不锈钢的复合构件。
实施例7-10
采用与实施例6相同的工艺进行钛合金与不锈钢的焊接。除降低压力至5MPa，升温至扩散焊接温度900℃，进行二次保温保压分别30min、90min、120min、150min外，其他条件与实施例6一样。
实施例通过控制二次保温保压时间，设置多个保温时间作为比较例进行研究，结果如下。
表2钛合金/不锈钢焊接部件力学性能
试样 抗拉强度(MPa) 断口性质
实施例6(60min) 242.89 韧性
实施例7(30min) 176.39 韧性
实施例8(90min) 489.76 韧性
实施例9(120min) 330.80 韧脆结合
实施例10(150min) 288.74 脆性
由表2结果可知，当采用本发明的不锈钢和钛合金的焊接方案进行焊接连接的时候，二次保温时间对焊接质量具有显著影响。随着保温时间延长，焊件抗拉强度呈现先增后降的变化趋势。图2为实施例8扩散焊截面金相显微组织图，其中左侧是不锈钢，右侧为钛合金。随焊接时间延长，界面间原子扩散程度增加。同时，在铌与钛合金界面形成黑色β相过渡，促进了界面结合，从而提高焊接强度。图3为实施例8中拉伸试样断裂形貌图，断面由韧窝组成，实现了钛合金与不锈钢的韧性连接。但是，当焊接时间超过90min后，原子扩散距离进一步增加，导致界面逐渐形成脆性相，弱化接头焊接强度。通过保温90min，可实现接头中无脆性化合物生成，也无气孔和裂纹等缺陷产生，接头抗拉强度达489.76MPa且呈现韧性断裂。
实施例11-12
采用与实施例6相同的焊接步骤进行，所不同的是，二次保温时间定为90min，采取多个不同厚度的铜箔和铌箔，选用的组合有铜箔25μm和铌箔30μm、、铜箔30μm和铌箔50μm、铜箔10μm和铌箔20μm，比较不同中间层厚度对钛合金与不锈钢扩散焊接的影响，结果如下。
表3钛合金/不锈钢焊接部件力学性能
试样 抗拉强度(MPa) 断口性质
实施例8(铜箔25μm、铌箔30μm) 489.76 韧性
实施例11(铜箔30μm、铌箔50μm) 377.47 韧性
实施例12(铜箔10μm、铌箔20μm) 252.94 韧脆结合
由表3记载的情况，可知当采用本发明的不锈钢和钛合金的焊接方案进行焊接连接的时候，复合中间层的厚度选择对于焊接件的力学性能有较大的影响。厚度较薄时，经扩散焊接后无剩余金属箔存在，不利于界面处焊接应力释放，无法阻止杂质元素聚集，从而削弱焊接强度。当金属箔厚度较大时，剩余过多的金属箔片成为界面薄弱区域，在外部载荷作用下首先发生断裂。所以，优选铜箔厚度为25μm、铌箔厚度为30μm。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：
试样表面清理步骤：对钛合金与不锈钢待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm；采用氢氟酸及硝酸的混合溶液，去除钛合金表面氧化膜；采用H2SO4溶液，去除铜箔表面氧化膜；将打磨后的试样、铜箔及铌箔放入丙酮中超声清洗10～15min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干，得到清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔；
试样叠放步骤：将试样表面清理步骤的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔交替叠放；放置时，顺序为钛合金-铌箔-铜箔-不锈钢或不锈钢-铜箔-铌箔-钛合金；
焊接步骤：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15～30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至5×10-1Pa以下；以5-20℃/min的速率升温，将炉温升至一定温度后，进行初次保温保压，促进钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔之间的界面接触；然后降低压力，升温至扩散焊接温度，进行二次保温保压；保温保压结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却。
2.如权利要求1所述钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，其特征在于，所述铜箔的纯度大于99.9wt％。
3.如权利要求1所述钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，其特征在于，所述铌箔的纯度大于99.9wt％。
4.如权利要求1所述钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，其特征在于，所述铜箔的厚度为10～40μm。
5.如权利要求1所述钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，其特征在于，所述铌箔的厚度为20～50μm。
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