CN108788437A - 异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法 - Google Patents

异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，包括以下步骤：将两种不同的镍钛基形状记忆合金嵌入到低碳钢包套中；将嵌入到低碳钢包套中的镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下进行大塑性变形；然后沿与轴线垂直的方向切开，将剖切面作为待焊面；将两种镍钛基形状记忆合金的待焊面相接触并固定在焊接夹具中压紧，然后置于真空扩散炉的真空室中；在1～5MPa的压力下，先将炉温升到450～500℃并保温10～20min，然后再将炉温升到650～700℃并保温60～100min，加热速度为5～10℃/min，最后冷却并卸压。大塑性变形使原始材料发生纳米晶化和非晶化，并引发了高密度位错，使原子扩散能力显著增加，提高了焊接性能。

Description

异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法
技术领域
本发明涉及异种镍钛基形状记忆合金连接方法，尤其涉及异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，属于异种材料连接技术领域。
背景技术
镍钛基形状记忆合金因具有形状记忆效应和超弹性而在航空航天、舰船和生物医用材料领域得到了广泛应用。众所周知，任何先进材料的成功应用都离不开加工制造，因为这些材料必须加工成具体的零件或结构件才能最终投入使用。为了满足各种使用要求，经常会采用焊接的方法将镍钛基形状记忆合金与其它材料或另一种形状记忆合金连接在一起。目前国内外主要采用摩擦焊接、钨极惰性气体保护焊接、离子焊接、钎焊和激光焊接来实现镍钛基形状记忆合金与其它材料的焊接。这些常用的焊接方法通常是使接头处金属局部受热或受压来实现连接的，因而经常会导致焊接接头的组织和性能与母材之间存在很大差异或接头处氧化严重，从而影响其形状记忆效应和超弹性的发挥。近年来发展起来的液相扩散焊连接虽然可使连接件整体受热和受压，但由于中间的金属层熔点低，强度差，两个零件的连接主要靠这些低熔点金属的原子扩散实现，从而导致接头处的性能比母材差。另外，由于扩散焊连接是在母材的固态状态下进行的，不加中间层的普通扩散焊连接难以实现较低温度下的原子扩散，导致焊接性能较差，而较高温度下的扩散焊连接虽然可提高原子扩散能力，但会引起母材晶粒长大，从而降低焊接件的整体力学性能。因此，本发明提出了基于纳米晶/非晶界面的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法。
发明内容
本发明的目的是提供焊接性能高、降低能量消耗和生产成本的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法。
本发明的目的是这样实现的：
异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，包括以下步骤：
步骤一：将镍钛基形状记忆合金加工成圆柱，之后将两种不同的镍钛基形状记忆合金采用过盈配合的方式分别嵌入到低碳钢包套中；
步骤二：将嵌入到低碳钢包套中的镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下进行大塑性变形；
步骤三：将经过大塑性变形的两种镍钛基形状记忆合金分别从低碳钢包套中取出，然后沿与轴线垂直的方向切开，将剖切面作为待焊面；
步骤四：将两种镍钛基形状记忆合金的待焊面相接触并固定在焊接夹具中压紧，然后置于真空扩散炉的真空室中；
步骤五：在1～5MPa的压力下，先将炉温升到450～500℃并保温10～20min，然后再将炉温升到650～700℃并保温60～100min，加热速度为5～10℃/min，最后冷却并卸压。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤一中低碳钢包套高度为镍钛基形状记忆合金的一半且置于镍钛基形状记忆合金的中间位置，低碳钢包套的内径与镍钛基形状记忆合金的直径相等，低碳钢包套的外径为镍钛基形状记忆合金直径的2.5～4倍，镍钛基形状记忆合金的高度与其直径的比值≤2.5；
2.步骤二中大塑性变形的应变速度≤0.05s-1，镍钛基形状记忆合金的高度压缩变形程度为50％～75％；
3.步骤三中以待焊面为基面将切开的两种镍钛基形状记忆合金上下端面打磨平整，所述上下端面的平行度＜0.05，然后将打磨后的两种镍钛基形状记忆合金清洗、干燥；
4.步骤四中在镍钛基形状记忆合金与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。
本发明的目的是提供一种基于纳米晶/非晶界面的扩散焊连接方法，获得兼具优良的焊接性能和力学性能的异种镍钛基形状记忆合金焊接件。
本发明的具体内容如下(具体过程如图1所示):
第一步：将两种不同的镍钛基形状记忆合金加工成圆柱形后分别嵌入到一个高度为其一半的低碳钢圆环形包套中，包套置于镍钛基形状记忆合金柱的中间位置。该包套的内径与镍钛基形状记忆合金圆柱的直径相等，外径为镍钛基形状记忆合金的2.5～4倍。镍钛基形状记忆合金圆柱的高度与其直径的比值应小于等于2.5。镍钛基形状记忆合金圆柱与低碳钢包套之间采用过盈配合。
第二步：将经过包套的镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下以小于等于0.05s-1的应变速率对其进行大塑性变形，即高度方向的压缩变形程度达到50％～75％。通过这种大塑性变形可以使镍钛基形状记忆合金实现纳米晶化或非晶化，同时还能形成高密度的位错。
第三步：将包套压缩后的两种镍钛基形状记忆合金分别从包套中取出，然后沿与轴线垂直的方向分别将两种合金从中间切开。将剖切面作为待焊面，并以该待焊面为基面将切开的合金上下端面打磨平整，保证其上下端面的平行度小于0.05，然后将两种镍钛基形状记忆合金放在丙酮溶液中用超声波清洗，除去表面的油污并干燥。
第四步：分别取两种镍钛基形状记忆合金的一半，将它们的待焊面相接触并将两者组合在一起，然后将其固定在焊接夹具中压紧。为了防止被焊件与焊接夹具之间发生扩散连接，安装在夹具中之前需要在被焊件与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。安装完成后，然后将组装件置于真空扩散炉的真空室中。
第五步：对焊件施加1～5MPa的压力，先以5～10℃/min的加热速度将炉温升到450～500℃，保温10～20min后再升温到650～700℃，保温60～100min，然后将焊接件随炉冷却并卸压，具体加热过程如图2所示。
本发明的原理为：
大塑性变形会使原始的粗晶实现纳米晶化或非晶化，同时还伴随着大量的位错。这些纳米晶的生成实际上使材料内部的晶界面积增加，这些晶界、非晶和高密度的位错使材料内部的晶体缺陷明显增多。从热力学角度来说，这些晶体缺陷处的原子处于不稳定状态，在热能的作用下，它们具有自发恢复到变形前位置的趋势，从而增加了原子的扩散能力。另外，在焊接加热过程中，非晶会发生晶化和晶粒长大现象，纳米晶也会发生长大现象，从而使原子扩散能力明显提高。因此，该方法可以在较低温度下实现充分的原子扩散，从而获得焊接性能和力学性能均优良的焊接件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.大塑性变形使原始材料发生纳米晶化和非晶化，并引发了高密度位错，使原子扩散能力显著增加，提高了焊接性能；
2.基于纳米晶/非晶界面会显著降低异种镍钛基形状记忆合金的扩散焊接温度，极大降低了能量消耗和生产成本；
3.较低温度下的焊接可降低异种材料在冷却过程中的收缩不均匀而引起的焊接应力，从而减小焊缝产生裂纹的倾向；
4.本发明提出的异种镍钛基形状记忆合金的焊接，可以实现不同成分的镍钛基形状记忆合金的焊接，从而使两种镍钛基形状记忆合金具有不同相(马氏体相或奥氏体相)组成和不同的相变温度，可以拓宽镍钛基形状记忆合金的应用领域。
附图说明
图1是异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接工艺示意图；
图2是扩散焊加热过程示意图；
图3a是Ni47Ti44Nb9形状记忆合金的透射电镜照片，基体形貌及衍射，表明发生了纳米晶化和非晶化；
图3b是Ni47Ti44Nb9形状记忆合金的透射电镜照片，基体内的位错；
图4a是Ni45Ti50Nb5形状记忆合金的透射电镜照片，基体形貌及衍射，表明发生了纳米晶化和非晶化；
图4b是Ni45Ti50Nb5形状记忆合金的透射电镜照片，基体内的位错；
图5a是焊缝附近Nb和Cu的分布扫描照片；
图5b是焊缝附近Nb的分布图；
图5c是焊缝附近Nb的分布图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1：1为镍钛基形状记忆合金1、2为低碳钢包套、3为镍钛基形状记忆合金2、4为上压头、5为上夹板、6为下夹板、7为下压头。
实施例：
第一步：将Ni47Ti44Nb9和Ni45Ti50Cu5两种镍钛基形状记忆合金均加工成直径为8mm，高为12mm的圆柱，然后将它们分别嵌入到一个内径为8mm，外径为24mm，高为6mm的Q235钢包套内，两种镍钛基形状记忆合金与Q235钢包套之间均采用过盈配合。
第二步：将两个包套镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下以0.05s-1的应变速率对其进行变行程度为50％的大塑性变形，即将其高度压缩至原来的1/2。大塑性变形后镍钛基形状记忆合金发生了纳米晶化和非晶化，还生成了高密度的位错，如图3和图4所示。
第三步：将包套压缩后的两种镍钛基形状记忆合金分别从包套中取出，然后沿与轴线垂直的方向分别将两种合金从中间切开。将剖切面作为待焊面，并以该待焊面为基面将切开的合金上下端面打磨平整，保证其上下端面的平行度精度小于0.05，然后将两种镍钛基形状记忆合金放在丙酮溶液中用超声波清洗10min，并用吹风筒将其吹干。
第四步：分别取两种镍钛基形状记忆合金的一半，将它们的待焊面相接触并将两者组合在一起，然后将其固定在焊接夹具中压紧。安装在夹具中之前，在被焊件与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。安装完成后，将组装件置于真空扩散炉的真空室中。
第五步：对焊件施加5MPa的压力，先以5℃/min的加热速度将炉温升到500℃，保温15min后再升温到670℃，保温90min，然后将焊接件随炉冷却并卸压。图5所示为焊缝附近Nb和Cu的分布，可见两侧成分相差不大，说明扩散进行得较充分。

Claims (9)

1.异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：将镍钛基形状记忆合金加工成圆柱，之后将两种不同的镍钛基形状记忆合金采用过盈配合的方式分别嵌入到低碳钢包套中；
步骤二：将嵌入到低碳钢包套中的镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下进行大塑性变形；
步骤三：将经过大塑性变形的两种镍钛基形状记忆合金分别从低碳钢包套中取出，然后沿与轴线垂直的方向切开，将剖切面作为待焊面；
步骤四：将两种镍钛基形状记忆合金的待焊面相接触并固定在焊接夹具中压紧，然后置于真空扩散炉的真空室中；
步骤五：在1～5MPa的压力下，先将炉温升到450～500℃并保温10～20min，然后再将炉温升到650～700℃并保温60～100min，加热速度为5～10℃/min，最后冷却并卸压。
2.根据权利要求1所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤一中低碳钢包套高度为镍钛基形状记忆合金的一半且置于镍钛基形状记忆合金的中间位置，低碳钢包套的内径与镍钛基形状记忆合金的直径相等，低碳钢包套的外径为镍钛基形状记忆合金直径的2.5～4倍，镍钛基形状记忆合金的高度与其直径的比值≤2.5。
3.根据权利要求1或2所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤二中大塑性变形的应变速度≤0.05s-1，镍钛基形状记忆合金的高度压缩变形程度为50％～75％。
4.根据权利要求1或2所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤三中以待焊面为基面将切开的两种镍钛基形状记忆合金上下端面打磨平整，所述上下端面的平行度＜0.05，然后将打磨后的两种镍钛基形状记忆合金清洗、干燥。
5.根据权利要求3所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤三中以待焊面为基面将切开的两种镍钛基形状记忆合金上下端面打磨平整，所述上下端面的平行度＜0.05，然后将打磨后的两种镍钛基形状记忆合金清洗、干燥。
6.根据权利要求1或2所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤四中在镍钛基形状记忆合金与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。
7.根据权利要求3所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤四中在镍钛基形状记忆合金与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。
8.根据权利要求4所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤四中在镍钛基形状记忆合金与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。
9.根据权利要求5所述的异种镍钛基形状记忆合金扩散焊连接方法，其特征是，步骤四中在镍钛基形状记忆合金与焊接夹具之间涂敷阻焊剂。
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