CN110238504A - 一种钛-钢合金高强度扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛‑钢合金高强度扩散连接方法，属于焊接技术领域。本发明的方法包括：在钛合金焊件和钢合金焊件的焊接面之间增加复合中间层，然后置于真空扩散炉中进行扩散连接，使所述钛合金焊件和所述钢合金焊件通过复合中间层连接成为一体结构，其中，所述复合中间层采用镍箔、铜箔和铌箔复合而成。通过采用镍、铜、铌为复合中间层与钛合金和钢合金进行扩散连接，提高了钛合金与钢合金的连接强度，能够适应航空、航天等高端装备领域的制造技术要求。

Description

一种钛-钢合金高强度扩散连接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种钛-钢合金高强度扩散连接方法。
背景技术
钛与钢的复合构件，同时具有钛和钢的优点，又能节约钛资源，能充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势，在航天、航空及石油化工等领域具有广阔的应用前景。钛与钢的复合构件除了在设计和结构上必须合理以外，本身还应该满足强度、真空致密性、热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和尺寸精度等多种要求。但是由于钛与钢的线膨胀系数、热导率相差较大,在焊接加热和冷却过程中易产生较大的内应力；钛与铁的互溶度极小,钛会与钢中的铁、铬、镍、碳形成复杂的脆性金属间化合物，大量脆性金属间化合物,使接头脆性增加、强度降低。目前钛合金与钢连接的主要方法有扩散连接、爆炸焊以及钎焊。
目前，钎焊主要采用银基钎焊，钛基焊料进行两者的连接。虽然能获得一定使用性能的接头，但是接头的强度较低，现报告的接头强度不超过300MPa，难以满足实际要求。
爆炸焊主要用于板-板复合材料的连接，钛钢的爆炸焊接窗口较窄，钛钢复合板(特别是大面积钛钢复合板)的制备技术和生产工艺仍存在一定问题，尤其在结合率和复合板性能上仍达不到某些领域的特殊要求。
扩散焊中，按有无中间层的特征分为：不加中间层的焊接方法，加中间层的焊接方法。例如，对钛合金TC4与不锈钢1Crl8Ni9Ti无中间层扩散焊接接头进行分析得出以下结论：由于母材组元的相互扩散和迁移，在交界面附近形成了一个由固溶体、金属间化合物组成的多层次过渡组织，主要由TiFe2及TiFe脆性相组成，严重的影响了接头的性能，接头强度低。采用填加中间层的方式是解决两者连接的途径之一，而钛只能与很少几种元素相互固溶而实现焊接,采用合理的中间层可以提高钛、钢连接的质量，但现有技术的中间层容易产生脆性相或低熔点共晶，影响焊接质量。以及，焊接工艺过于复杂，不利于实际的生产应用。
因此，为解决现有技术的不足，发明人提供了一种钛-钢合金高强度扩散连接方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种钛-钢合金高强度扩散连接方法，采用通过合理的复合中间层，能够实现钛合金与钢合金的可靠连接，接头强度显著提高，解决了现有技术中钛-钢合金扩散连接的难题。
本发明的实施例提出了一种钛-钢合金高强度扩散连接方法，该方法包括：在钛合金焊件和钢合金焊件的焊接面之间增加复合中间层，然后置于真空扩散炉中进行扩散连接，使所述钛合金焊件和所述钢合金焊件通过复合中间层连接成为一体结构，其中，所述复合中间层采用镍箔、铜箔和铌箔叠层复合而成。
进一步地，所述复合中间层的镍箔厚度为1um-10um，铜箔厚度为10um-50um，铌箔厚度20um-100um。
进一步地，所述复合中间层的箔层从上到下顺序为：镍箔、铜箔、铌箔，将所述复合中间层置于所述钛合金焊件和所述钢合金焊件之间，材质顺序依次为为：钛合金、铌箔、铜箔、镍箔、钢合金。
进一步地，置于真空扩散炉中进行扩散连接时，真空度为8×10-3Pa～1×10-3Pa，焊接压力为2～10MPa，焊接温度为1143K-1243K，焊接时间为120min～240min。
进一步地，在焊接前，所述钛合金焊件、所述钢合金焊件以及所述复合中间层的焊接面均需采用物理清洁的方式进行表面清洁。
进一步地，所述物理清洁的方式为，采用400目金相砂纸对全部焊接面进行打磨，去除氧化膜，然后再使用丙酮或酒精清洗干净。
进一步地，所述钛合金焊件为直径65mm的圆柱，长度为25mm，材质为Ti-6Al-4V，所述钢合金焊件为直径65mm的圆柱长度为23mm，材质为Fe-18Ni-10Co-4.5Mo。
综上，本发明提出一种通过新型的复合中间层实现钛合金和钢合金扩散连接，接头强度显著提高，可达到650MPa；本发明的焊接工序简单，便于操作；焊接压力和焊接温度低，焊后材料变形小，适用于构件的生产制造，能够满足航空、航天等高端装备领域的制造技术要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是复合中间层置于钛合金焊件和钢合金焊件之间的示意图。
图2是扩散连接后的结构金相图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了等同方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
目前，采用填加中间层的方式是解决钛合金和钢合金连接难题的途径之一。但是，钛只能与很少几种元素即Zr、Hf、Nb、Ta、V相互固溶而实现焊接,其中钛与Zr、Nb、Ta、V的接头塑性相对较好。目前采用的中间层主要为Ta、V、Cu以及Ni中的一种或者两种，接头的强度随着中间层的选择有很大的差异性，钒与钢中的合金元素碳及镍却形成脆性的VC和VNi，降低了接头的焊接质量。钽与钢之间则会形成高硬度的过渡区,这是由于在钽与钢之间形成了Fe2Ta和NiTa。采用钽+淬火青铜作为中间过渡金属，接头强度可达到600MPa，但是焊接工艺复杂，首先是钽与钛焊,铜与钢焊,然后再把铜与钽连接起来。采用纯Cu作为中间层，Cu和Ti产生低熔点共晶，不利于焊接质量的提高。采用纯Ni作为中间层，接头的强度有一定的提高，接头的强度达到358MPa。
针对钛/钢合金连接问题，本发明提供了一种钛-钢合金高强度扩散连接方法，该方法至少包括：在钛合金焊件和钢合金焊件的焊接面之间增加复合中间层，然后置于真空扩散炉中进行扩散连接，使所述钛合金焊件和所述钢合金焊件通过复合中间层连接成为一体结构，其中，所述复合中间层采用镍箔、铜箔和铌箔叠层复合而成。
该发明提出了一种新型的增加复合中间层的设计思路，并进行试验验证连接，复合中间层的设计思路如下，第一：该复合中间层能够阻碍钛合金中的钛元素向钢中扩散，防止TiC等金属间化合物的生成；第二：焊后接头组织满足“硬+软+硬”的形式；第三：复合中间层之间以及中间层和焊接母材(钛合金焊件和钢合金焊件)接触处尽量避免金属间化合物的生成。基于上述设计思路，发明人采用镍、铜、铌为复合中间层进行扩散连接，与现阶段其它连接方法相比，接头强度可以提高到650MPa，焊接工艺简单，便于操作，接头的可靠性也大大提高，可以满足实际应用的需要。
具体地，参见图1所示，本发明采用不同材质的金属箔层为钛/钢合金连接的复合中间层，所述复合中间层的铌箔厚度为20um-100um，铜箔厚度为10um-50um，镍箔的厚度为1um-10um。所述复合中间层的箔层从上到下顺序为：镍箔、铜箔、铌箔，将所述复合中间层置于所述钛合金焊件和所述钢合金焊件之间，材质顺序依次为为：钛合金、铌箔、铜箔、镍箔、钢合金。
在焊前需对焊接表面进行物理清理。所述的物理清理可以是采用400目金相砂纸对全部焊接面进行打磨，去除氧化膜，然后使用丙酮或酒精清洗干净。
将中间置有复合中间层的钛合金焊接和钢合金焊接整体置于真空扩散炉内后，在真空度为8×10-3Pa～1×10-3Pa，焊接压力为2～10MPa，焊接温度为1143K-1243K的炉内环境中扩散连接焊接120min～240min，焊接结束后将焊件在炉内冷却到室温，再取出焊件。
下面以材质为Ti-6Al-4V的钛合金焊件与材质为Fe-18Ni-10Co-4.5Mo的钢合金扩散连接方法为具体实施例说明：
本实施方式采用镍箔、铜箔、铌箔复合中间层，与钛合金与钢合金扩散焊接，其中，进行扩散焊接的TC4钛合金材料为Ti-6Al-4V，18Ni钢合金材质为Fe-18Ni-10Co-4.5Mo。钛合金采用直径为65mm，长度为25mm的圆柱，钢合金采用直径直径为65mm，长度为23mm的圆柱对接件，复合中间层的镍箔厚度2um-4um、铜箔厚度20-50um、铌箔厚度60-100um。在焊接前，采用400目金相砂纸打磨TC4和18Ni母材，去除氧化膜，然后使用丙酮或酒精清洗干净。并且，要求复合中间层的各材质的箔层直径需大于65mm，焊前采用丙酮或酒精清洗干净，将金属箔片依次置于钛/钢合金之间，顺序为：钛合金、铌箔、铜箔、镍箔、钢合金。将装配好的焊接组件置于扩散设备中，本实施例采用辐射加热真空扩散焊设备焊接，焊接过程各工艺参数可程序控制和手动控制。通过热电偶接触焊件，以确保焊接过程中实时监控焊件温度。焊件安装完毕后关闭真空室，打开真空泵，当真空度低于8×10-3Pa时升温，此时的温度应在1143K～1173K之间，压力应在2～5MPa,焊接时间120min～180min。在扩散连接焊结束后，切断电源，使焊件在原真空条件下降至室温，最后从真空室中取出焊件，其目的是防止焊件在高温下发生氧化。
采用镍箔、铜箔、铌箔复合为中间层与钛合金和钢合金扩散焊接的实验表明，接头强度显著提高，可达到650MPa，明显高于以其它方式的400MPa。参见图2所示，焊接接头的微观组织并没有发现TiC等脆性金属间化合物，表明中间层的存在阻碍了Ti向钢中的扩散；同时在界面处没有TiCu、TiCu2等低熔点共晶化合物，表明铌层的存在阻碍了Ti、Cu之间的扩散。因此，本发明采用镍、铜、铌复合为中间层可实现钛-钢合金高强度连接。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，包括：在钛合金焊件和钢合金焊件的焊接面之间增加复合中间层，然后置于真空扩散炉中进行扩散连接，使所述钛合金焊件和所述钢合金焊件通过复合中间层连接成为一体结构，其中，所述复合中间层采用镍箔、铜箔和铌箔叠层复合而成。
2.根据权利要求1所述的钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，所述复合中间层的镍箔厚度为1um-10um，铜箔厚度为10um-50um，铌箔厚度20um-100um。
3.根据权利要求1所述的钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，所述复合中间层的箔层从上到下顺序为：镍箔、铜箔、铌箔，将所述复合中间层置于所述钛合金焊件和所述钢合金焊件之间，材质顺序依次为为：钛合金、铌箔、铜箔、镍箔、钢合金。
4.根据权利要求1所述的钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，置于真空扩散炉中进行扩散连接时，真空度为8×10-3Pa～1×10-3Pa，焊接压力为2～10MPa，焊接温度为1143K-1243K，焊接时间为120min～240min。
5.根据权利要求1所述的钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，在焊接前，所述钛合金焊件、所述钢合金焊件以及所述复合中间层的焊接面均需采用物理清洁的方式进行表面清洁。
6.根据权利要求5所述的钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，所述物理清洁的方式为，采用400目金相砂纸对全部焊接面进行打磨，去除氧化膜，然后再使用丙酮或酒精清洗干净。
7.根据权利要求1所述的钛-钢合金高强度扩散连接方法，其特征在于，所述钛合金焊件为直径65mm的圆柱，长度为25mm，材质为Ti-6Al-4V，所述钢合金焊件为直径65mm的圆柱长度为23mm，材质为Fe-18Ni-10Co-4.5Mo。
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