CN113182784B - 钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，解决了采用现有方法制得的钛合金/不锈钢复合管接头气密性、界面强度以及耐蚀性能均产生了不利影响，产品性能及使用寿命受限的不足之处。本发明将过盈配合和扩散焊接方法相结合，利用中间层设计，实现异质内外套管的扩散连接，使得钛合金基管和不锈钢内衬之间形成了冶金结合界面，界面结合率提升至100％，可有效提高钛合金/不锈钢界面气密性，性能提升显著，延长使用寿命。

Description

钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法
技术领域
本发明属于双金属复合构件机械加工技术领域，具体涉及一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法。
背景技术
随着我国航空航天事业迅速发展，传统单一金属材料在很多严苛的服役情况下通常难以满足使用要求，对异质材料结构的性能提出了更高的要求，由于异种金属材料复合构件较单一金属结构具有耐蚀、抗高温、低磨损以及绝热等特性，为了充分发挥不同材料所具有的独特性能，近年来，异质材料结构在航空航天、汽车制造、核能工程以及机械制造等各个领域得到越来越广泛应用。
钛及钛合金管材因其密度小、比强度高、抗蚀性能好等优点，在航空航天、船舶、石油化工等领域有着广泛的应用。但是钛合金管材的二次表面处理难度较大、成本较高，例如：在钛合金管材内表面采用表面渗氮以提高其耐磨性能的技术要求高，且性能提升并不明显。
中国专利申请CN 104043674 A公开了一种黄不锈钢/钛合金双金属复合管的制备方法，该方法采用在内管中插入芯棒，随后对双金属管进行一次或多次的塑性加工，再经精整拉拔处理制成双金属复合管。该方法虽然获得了钛合金/不锈钢复合管，但是采用塑性加工与精整拉拔处理后，对接头气密性、界面强度以及耐蚀性能均产生了不利影响，产品性能及使用寿命受限。
发明内容
本发明的目的在于解决采用现有方法制得的钛合金/不锈钢复合套管接头气密性、界面强度以及耐蚀性能均产生了不利影响，产品性能及使用寿命受限的不足之处，而提供一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)根据所需强度，将钛合金基管和不锈钢内衬分别加工至目标尺寸；
2)清洗并干燥步骤1)加工好的钛合金基管和不锈钢内衬；
3)在经步骤2)处理后的不锈钢内衬外表面镀金属中间层；
所述金属中间层选择能与钛合金基管和不锈钢内衬均能形成固溶，且同时可最大限度阻止钛合金基管和不锈钢内衬之间元素扩散形成金属间化合物的材质；
所述金属中间层的厚度根据内外管装配精度和的升温后内外管膨胀变形量确定，以保证温度变化时内外管之间存在压应力；
4)将步骤3)镀有金属中间层的的不锈钢内衬冷却使其尺寸收缩，将经步骤2)处理后的钛合金基管加热使其尺寸膨胀；之后，将两者套合进行过盈装配，冷却得到半成品；
5)将步骤4)得到的半成品进行热处理，使钛合金基管和不锈钢内衬均与金属中间层之间发生扩散，形成冶金连接层，获得冶金焊合结构；
6)对步骤5)得到的冶金焊合结构进行表面处理、清洗、干燥，得到钛合金/不锈钢内外套管复合构件。
进一步地，步骤1)中，所述不锈钢内衬的外径与钛合金基管的内径之比为1.001∶1；不锈钢内衬的壁厚为3～4mm。
进一步地，步骤2)中，清洗方法为丙酮清洗或超声清洗。
进一步地，步骤3)中，所述金属中间层为镍层，其厚度为20～30μm，采用化学方法镀覆在不锈钢内衬的外表面。该金属中间层也可采用铜制备。
进一步地，步骤4)具体为：
将步骤3)镀有镍中间层的不锈钢内衬在液氮中冷却至-200℃～-160℃使其尺寸收缩，将经步骤2)处理后的钛合金基管加热至150℃～200℃使其尺寸膨胀；之后，将两者套合进行过盈装配，冷却至室温得到半成品。
进一步地，步骤5)具体为：
采用真空加热设备以10～20℃/min的升温速率将步骤4)得到的半成品加热至850℃～900℃，保温2～4小时后以3.5℃/min的降温速率冷却至室温，使钛合金基管和不锈钢内衬均与金属中间层之间发生扩散，形成冶金连接层，获得冶金焊合结构。
进一步地，所述钛合金基管为TC4钛合金基管；
所述不锈钢内衬为15-5PH不锈钢内衬。
同时，本发明还提供了一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件，其特殊之处在于：采用上述方法制作而成。
本发明的优点是：
1.背景技术中采用机械连接的方式结合，结合界面未形成冶金结合；与背景技术中钛合金/不锈钢制备方法相比，本发明将过盈配合和扩散焊接方法相结合，利用中间层设计，实现异质内外套管的扩散连接，使得钛合金基管和不锈钢内衬之间形成了冶金结合界面，界面结合率提升至100％，可有效提高钛合金/不锈钢界面气密性，性能提升显著，延长使用寿命。
2.在本发明的工艺窗口下，可以实现较大尺寸钛合金基管(外径36mm，内径23mm，筒长75mm)与不锈钢内衬(外径23mm，内径19mm，筒长75mm)的有效焊接，焊接界面宽度可达33μm以上，形成冶金连接层，获得冶金焊合结构。
附图说明
图1为本发明制作的钛合金/不锈钢内外套管复合构件的断面结构示意图；
图2为本发明制作的钛合金/不锈钢内外套管复合构件的扩散焊界面扫描图；
附图标号如下：
1-钛合金基管，2-不锈钢内衬，3-镍中间层，4-TC4钛合金，5-15-5PH不锈钢。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，包括以下步骤：
1)根据所需强度，将TC4钛合金基管和15-5PH不锈钢内衬分别加工至目标尺寸；使得不锈钢内衬的外径与钛合金基管的内径之比为1.001∶1；不锈钢内衬的壁厚为3～4mm；
2)采用丙酮或超声清洗步骤1)加工好的钛合金基管和不锈钢内衬，并吹干；
3)在经步骤2)处理后的不锈钢内衬外表面进行化学镀镍，形成20～30μm厚的镍中间层；
4)将步骤3)镀有镍中间层的的不锈钢内衬在液氮中冷却至-200℃～-160℃使其尺寸收缩，以及将经步骤2)处理后的钛合金基管加热至150℃～200℃使其尺寸膨胀；之后，将两者套合进行过盈装配，冷却至室温得到半成品；
5)采用真空加热设备以10～20℃/min的升温速率将步骤4)得到的半成品加热至850℃～900℃，保温2～4小时后以3.5℃/min的降温速度冷却至室温，使钛合金基管、不锈钢内衬与镍中间层三者之间发生扩散，形成冶金连接层，获得牢固致密的冶金焊合结构；
6)对步骤5)得到的冶金焊合结构进行表面处理、清洗、干燥，得到钛合金/不锈钢内外套管复合构件。
为了检验采用本发明方法制作的钛合金/不锈钢内外套管复合构件的结构性能，本发明将上述制作的钛合金/不锈钢内外套管复合构件沿垂直管材径向切开，制备成金相试样，在扫描电子显微镜下观察到钛合金/镍/不锈钢扩散组织明显，接头连续、致密，无气孔、裂纹出现，界面组成为：TC4-(α+β)—NiTi2—NixTiyPz—Ni3Ti—FeNi3—γ-15-5PH。
本发明方法不仅可批量制作钛合金/不锈钢内外套管复合构件，还可对其他存在同样问题的异质材料套管复合构件的焊接起指导作用，以实现套管接触内壁的连接，保证双管之间的密封性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据所需强度，将钛合金基管和不锈钢内衬分别加工至目标尺寸；
所述不锈钢内衬的外径与钛合金基管的内径之比为1.001∶1；不锈钢内衬的壁厚为3～4mm；
2)清洗并干燥步骤1)加工好的钛合金基管和不锈钢内衬；
3)在经步骤2)处理后的不锈钢内衬外表面镀金属中间层；
所述金属中间层选择能与钛合金基管和不锈钢内衬均能形成固溶，且同时可最大限度阻止钛合金基管和不锈钢内衬之间元素扩散形成金属间化合物的材质；
所述金属中间层的厚度根据内外管装配精度和的升温后内外管膨胀变形量确定，以保证温度变化时内外管之间存在压应力；
4)将步骤3)镀有金属中间层的不锈钢内衬冷却使其尺寸收缩，将经步骤2)处理后的钛合金基管加热使其尺寸膨胀；之后，将两者套合进行过盈装配，冷却得到半成品；
5)将步骤4)得到的半成品进行热处理，使钛合金基管和不锈钢内衬均与金属中间层之间发生扩散，形成冶金连接层，获得冶金焊合结构；
6)对步骤5)得到的冶金焊合结构进行表面处理、清洗、干燥，得到钛合金/不锈钢内外套管复合构件。
2.根据权利要求1所述钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，其特征在于：
步骤2)中，清洗方法为丙酮清洗或超声清洗。
3.根据权利要求2所述钛合金/不锈钢套管复合构件的制作方法，其特征在于：
步骤3)中，所述金属中间层为镍层，其厚度为20～30μm，采用化学方法镀覆在不锈钢内衬的外表面。
4.根据权利要求3所述钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，其特征在于，步骤4)具体为：
将步骤3)镀有镍中间层的不锈钢内衬在液氮中冷却至-200℃～-160℃使其尺寸收缩，将经步骤2)处理后的钛合金基管加热至150℃～200℃使其尺寸膨胀；之后，将两者套合进行过盈装配，冷却至室温得到半成品。
5.根据权利要求4所述钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，其特征在于，步骤5)具体为：
采用真空加热设备以10～20℃/min的升温速率将步骤4)得到的半成品加热至850℃～900℃，保温2～4小时后以3.5℃/min的降温速率冷却至室温，使钛合金基管和不锈钢内衬均与金属中间层之间发生扩散，形成冶金连接层，获得冶金焊合结构。
6.根据权利要求5所述钛合金/不锈钢内外套管复合构件的制作方法，其特征在于：
所述钛合金基管为TC4钛合金基管；
所述不锈钢内衬为15-5PH不锈钢内衬。
7.一种钛合金/不锈钢内外套管复合构件，其特征在于：采用权利要求1～6任一方法制作而成。
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