不锈钢与钛合金脉冲加载扩散焊接工艺研究

摘要

本文研究了0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢与TA17近α钛合金的固态扩散焊接工艺，在现有的工艺方法上提出了脉冲加载固态扩散焊接的工艺。研究了该方法的主要工艺参数，焊接温度、最大脉冲压力、脉冲次数对接头拉伸强度的影响，并制定出了本试验的最佳工艺参数：T=825℃、P=8～50MPa、N=20次、f=0.5Hz，得到的最高拉伸强度为293MPa，焊接所用的时间仅为220s。 对脉冲加载扩散焊接试样的断口和接头进行的金相分析、SEM分析、X射线衍射和、图像分析以及能谱分析结果表明：采用脉冲加载扩散焊接工艺，不锈钢与钛合金实现了良好的连接。在拉伸断口上主要存在的物相为γ-Fe、σ相、β-Ti、Fe2Ti、FeTi；断裂主要发生在接头的β-Ti固溶体和Fe-Ti金属间化合物的界面上，断裂时β-Ti固溶体承受主要的拉力，提高断口β-Ti固溶体的相对含量是提高接头强度的关键因素；接头界面的元素扩散过程中Fe元素扩散距离较远，Cr元素发生了上坡扩散。 对比脉冲加载扩散焊接工艺与恒温恒压扩散焊接工艺结果表明，在前者工艺条件下，扩散层比后者的扩散层窄，强度也较高。通过对脉冲加载扩散工艺下试样的扩散分析和界面金属间化合物及固溶体生长动力学的计算得出了Fe在β-Ti中扩散系数为D=1.15×105exp(-171000)，明显高于一般状况下Fe在β-Ti中扩散系数；脉冲加载扩散焊接的金属间化合物及固溶体生长动力学分别符合公式：X=7.1×10-2t1/2exp(-112900/RT)m和X=8.31t1/2exp(-59000/RT)m。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.2课题的意义

1.3课题的国内外研究现状

1.3.1不加中间层的焊接方法

1.3.2加中间层的焊接方法

1.4扩散理论

1.4.1扩散的微观机制

1.4.2扩散的影响因素

1.4.3扩散系数D的求解

1.5金属间化合物的形成理论

1.6课题的主要工作和研究内容

2试验材料及方法

2.1试验材料

2.2试验方法

2.2.1焊接准备

2.2.2焊接工艺曲线

2.2.3拉伸试验

2.2.4断口分析

2.2.5接头金相分析

2.2.6 X射线衍射及能谱分析

2.2.7显维硬度分析

3工艺参数对接合强度的影响

3.1试样的拉伸试验结果

3.2脉冲加载扩散连接工艺参数对接头强度的影响

3.2.1连接温度的影响

3.2.2连接最大压力的影响

3.2.3冲击次数的影响

3.3脉冲加载工艺结合面的接触分析

4脉冲加载扩散焊接试样拉伸断口分析

4.1断口金相分析

4.2断口能谱分析

4.3断口物相分析

4.4断口图像分析

4.5断口硬度分析

5脉冲加载扩散焊接接头分析

5.1接头金相分析

5.2接头能谱分析

5.3脉冲加载工艺条件下不同温度的焊接接头元素扩散比较

5.4接头物相分析

5.5接头热力学分析

5.5.1物质吉布斯自由能函数法

5.5.2试验中的热力学计算

5.6接头硬度分析

6恒温恒压扩散焊与脉冲加载扩散焊比较

6.1脉冲加载工艺下焊接界面金相分析

6.2恒温恒压工艺下焊接界面金相分析

6.3两种工艺下的应力—应变曲线比较

6.4两种工艺下接头硬度曲线比较

7脉冲加载工艺的扩散动力学分析

7.1焊接界面扩散分析

7.2扩散的基本理论

7.2.1费克定律

7.2.2原子扩散途径

7.3 Fe在β-Ti中的扩散系数及扩散激活能的计算

7.4有关金属间化合物生长的动力学计算

8后续工作建议

9结论

致 谢

参考文献

附 录