钛合金/钢异种金属真空钎焊试验研究

摘要

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好等诸多优良特性，从而被广泛应用于现代工业，特别是航空航天和化工领域。然而钛及钛合金构件制造工艺复杂、成本高昂，限制了其应用范围。钛及钛合金与结构钢或不锈钢的配合使用是简化制造工艺、降低成本的有效方法。然而钛及钛合金与钢异种金属间的焊接存在诸多困难。
　　本文采用新型Ti-Cu基非晶钎料对γ-TiAl合金/40Cr钢和TC4钛合金/304不锈钢进行了真空钎焊试验，并从显微组织、元素分布、相组成、力学性能和断口分析等方面对钎焊接头进行了研究。
　　本文分别以Ti-Cu-Ni-Zr-Sn、Ti-Cu-Ni-Zr、Cu-Ti-Ni-Zr-V非晶箔带钎料和纯Cu箔钎焊γ-TiAl合金和40Cr钢，以Cu-Ti-Ni-Zr-V非晶箔带钎料钎焊TC4钛合金和304不锈钢，均得到了无气孔和裂纹的优质接头。
　　采用Ti-Cu-Ni-Zr-Sn非晶钎料所得钎焊焊缝主要由两个区域组成:Ti(Ni，Cu)Al和Ti-Al金属间化合物组成的混合物区，剩余钎料和分布在剩余钎料中的Ti-Sn、Ti(Ni，Cu)金属间化合物组成的混合物区。在采用纯Cu箔做为钎料的钎焊接头中，Cu箔钎料不能阻止Ti的扩散，使得Ti在40Cr钢母材侧富集并与Fe发生反应，形成Fe-Ti金属间化合物，严重影响了接头的力学性能。
　　采用Ti60Cu10Ni22Zr8非晶钎料进行γ-TiAl合金/40Cr钢钎焊试验时，接头最高剪切强度为32 MPa。三种不同保温时间下的钎焊接头均断裂于Ti和Al含量较高的40Cr钢与钎料层的互扩散界面层附近，Ti-Al金属间化合物的存在使该位置成为钎焊接头的最薄弱区域。
　　采用Cu37.5Ti25Ni12.5Zr12.5V12.5非晶钎料所得γ-TiAl合金/40Cr钢钎焊接头的剪切强度为136 MPa，断裂发生于含有金属间化合物的灰色相层，其扩散层为不规则的齿状Ti基固溶体，钎料与40Cr之间的连接强度较高。采用Cu43.75Ti37.5Ni6.25Zr6.25V6.25非晶钎料所得γ-TiAl合合/40Cr钢钎焊接头的剪切强度仅为38 MPa，断裂发生于40Cr与钎料之间的扩散层，扩散层较平整，主要包含Ti19Al6和Ti2Cu等金属间化合物。以上结果表明含有相对少量Ti和较多V的钎料更适合于γ-TiAl合金/40Cr钢的焊接。
　　采用Cu-Ti-Ni-Zr-V非晶钎料钎焊TC4钛合金/304不锈钢的实验结果表明，钎料与304不锈钢母材的互溶性优于其与40Cr钢的互溶性。采用Cu43.75 Ti37.5Ni6.25Zr6.25V6.25非晶钎料所得钎焊接头的剪切强度为105MPa，采用Cu37.5Ti25Ni12.5Zr12.5V12.5非晶钎料所得钎焊接头的剪切强度为116MPa，均断裂于钎缝钎料层中灰色相附近。Cr-Ti、Fe-Ti、Cu-Fe-Ti、Fe-Ti-Zr等金属间化合物的生成是导致接头断裂的主要原因。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 选题意义

1．1．1 钛合金／钢异种金属接头的实用性

1．1．2 钛合金／钢异种金属组合的焊接性

1．2 钛及钛合金／钢异种金属焊接研究现状

1．2．1 熔焊

1．2．2 压焊

1．2．3 钎焊

1．3 本文的主要研究内容

2 实验方法及过程

2．1 实验材料及规格

2．2 实验过程

2．2．1 非晶钎料的制备

2．2．2 焊前准备

2．2．3 焊接工艺参数

2．3 接头组织及性能分析

2．3．1 显微组织与成分表征

2．3．2 力学性能测试

3 γ-TiAl合金与40Cr钢的钎焊试验研究

3．1 采用Ti-Cu-Ni-Zr-Sn非晶箔带钎焊γ-TiAl合金与40Cr钢

3．1．1 显微组织

3．1．2 元素分布和相分析

3．1．3 显微硬度

3．2 采用Ti60Cu10Ni22Zr8非晶箔带钎焊γ-TiAl合金与40Cr钢

3．2．1 显微组织

3．2．2 元素分布和相分析

3．2．3 力学性能和断口分析

3．3 采用Cu-Ti-Ni-Zr-V非晶箔带钎焊γ-TiAl合金与40Cr钢

3．3．1 显微组织

3．3．2 元素分布与相分析

3．3．3 力学性能与断口分析

3．4 本章小结

4 TC4钛合金与304不锈钢的钎焊试验研究

4．1 显微组织

4．2 元素分布

4．3 力学性能与断口分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢