用于钛/316L不锈钢连接的梯度材料等离子活化烧结工艺及组织性能研究

摘要

钛/钢异种金属焊接在航空航天等领域存在广泛需求，一直是国际焊接界的主要难题之一，严重阻碍了钛/钢结构的设计和应用。钛/钢材料热物理性能差异大导致焊接接头热疲劳寿命低，熔焊产生的粗大金属间化合物导致熔焊强度低、极易开裂、可靠性差，直接固相焊接热疲劳强度也低等问题，为达到钛/钢连接接头成分和热膨胀系数的过渡匹配，以及室温、高温条件下具有良好的力学性能的要求，设计构建成分逐渐过渡、性能梯度分布的过渡接头，是全面解决该难题的关键技术途径。
　　本文以上述需求为背景，设计了热膨胀系数和成分匹配的钛/钢梯度材料，开展了钛/316L不锈钢梯度材料的等离子活化烧结工艺试验，分析了工艺参数及梯度材料成分与烧结材料的组织力学性能关系。
　　本论文采用等离子活化烧结方法对钛/316L不锈钢直接过渡梯度材料进行烧结连接。实验结果表明:当烧结温度为900℃，烧结压力为40MPa，保温时间为时10min时，钛/316L不锈钢烧结体界面剪切强度达到最大均值412MPa。保持烧结压力及保温时间不变，烧结温度增大到950℃时，烧结钛和烧结316L致密度分别达到98.7％和99.5％。
　　本论文通过对各金属粉末性能的分析及采用Turner热膨胀系数经验方程的计算，最终设计得到三种不同成分比例及热膨胀系数介于钛和钢之间的以V、Cu为主体的混合粉末层。将设计得到的混合粉末层作为过渡层进行钛/316L不锈钢的烧结连接。经过性能测试发现，三种混合粉末分别与钛及316L不锈钢的烧结连接界面均为低塑性断裂，最佳烧结温度为900℃;钛、316L不锈钢分别与混合粉末层的烧结界面断口断裂位置均位于扩散层偏向混合粉末层一侧的位置，界面处偏向于混合粉末层的扩散层属于界面强度薄弱地带;随着混合粉末层中Cu元素含量的增加，钛与混合粉末层烧结断口中夹杂物含量增加。此外，与钛、316L不锈钢分别烧结连接性能较好的粉末层混合比例不同，与钛连接性能最优的混合粉末Cu含量为30.0％，V含量为55％，900℃时界面剪切强度达到300MPa，与316L不锈钢连接性能最优的混合粉末Cu含量为55％，V含量为30.0％，900℃时界面剪切强度达到210MPa。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 钛与钢异种材料连接研究应用现状

1．2．1 钛与钢异种材料熔化焊连接国内外研究概论

1．2．2 钛与钢异种材料固相焊连接国内外研究概论

1．3 钛与钢异种材料焊接存在的问题及发展趋势

1．3．1 钛与钢异种材料焊接存在的问题

1．3．2 钛与钢异种材料连接发展趋势

1．4 功能梯度材料制备技术研究现状

1．4．1 功能梯度材料制备技术简介

1．4．2 活化等离子烧结(PAS)技术简介

1．5 实验方案及主要研究内容

1．5．1 实验方案

1．5．2 主要研究内容

2 试验材料及设备

2．1 试验材料

2．2 试验设备

2．2．1 等离子活化烧结设备

2．2．2 显微组织分析设备

2．2．3 力学性能测试设备

3 梯度材料设计

3．1 粉末种类选择

3．2 混合粉末比例成分设计

3．3 粉末预处理

3．4 本章小结

4 钛／316L不锈钢直接过渡梯度材料烧结

4．1 烧结工艺参数

4．2 试样烧结密度测试

4．3 试样显微组织分析

4．3．1 金相组织分析

4．3．2 扫描电镜及能谱分析

4．4 力学性能分析

4．4．1 显微硬度分析

4．4．2 剪切强度分析

4．4．3 断口分析

4．5 烧结连接过程分析

4．6 本章小结

5 钛／316L不锈钢添加单一过渡层梯度材料烧结

5．1 烧结工艺参数

5．2 钛／316L不锈钢添加过渡混合粉末C1烧结

5．2．1 试样显微组织分析

5．2．2 力学性能分析

5．3 钛／316L不锈钢添加过渡混合粉末C2烧结

5．3．1 试样显微组织分析

5．3．2 力学性能分析

5．4 钛／316L不锈钢添加过渡混合粉末C3烧结

5．4．1 试样显微组织分析

5．4．2 力学性能分析

5．5 钛／316L不锈钢添加不同过渡混合粉末烧结界面性能比较

5．5．1 界面扩散层对比

5．5．2 显微硬度对比

5．5．3 剪切强度对比

5．5．4 断口性能比较

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录