一种适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头

摘要

本发明公开了一种适用于钛-钢异种金属的梯度接头。采用V-Cu基梯度合金作为钛-钢异种金属连接的梯度接头，其中V-Cu基梯度合金C1、C2、C3由多种金属粉末按照不同比例混合而成的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成。本发明采用成分及线膨胀系数梯度过渡的混合粉末作为中间层，可以有效防止钛和钢直接连接时成分突变及膨胀系数差异大所引起热应力和相变应力导致的脆性相开裂、低热疲劳性能等问题；通过调整混合粉末成分及其分布，实现钛元素与铁元素的隔离、减少脆性相的形成、优化脆性相分布，同时也可通过微量合金元素的添加改善脆性相塑韧性。

说明书

技术领域

本发明属于金属加工领域，具体涉及一种适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头。

背景技术

钛合金与不锈钢之间的物理化学性能差异特别大，获得良好的连接接头有很大的 难度。钛合金与不锈钢很难实现直接焊接连接。目前，国内外熔焊和固相焊连接钛- 钢异种金属所采用的中间过渡层多为单一或者复合的纯金属箔片。其中钎焊连接钛- 钢异种金属多采用银基钎料。单一或者复合的纯金属箔片过渡层尽管能实现钛-钢异 种金属的连接，但是接头的过渡纯金属区域强度不高，当金属箔片过薄时，过渡金属 易不能很好地隔绝钛元素与铁元素的结合。此外，复合的纯金属箔片过渡层的添加， 相当于接头增加了一个或多个成分不连续分布的界面层，对接头强度及疲劳性能等带 来不利影响。

尽管国内外已经出现很多采用过渡层的办法连接钛-钢异种金属的事例，但未曾 有人明确提出钛-钢异种金属连接中间过渡层的设计原理和方法。

放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering或SPS)也称等离子活化烧结 (Plasma Activ ated Sintering或PAS),是近年来发展的新技术，可以在较低温 度下实现快速烧结致密材料,可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、复合材料、 梯度材料等。由于梯度材料的组份是梯度变化的,各层的烧结温度不同,利用传统烧 结方法难以一次烧成。具有不同成份配比的梯度坯料可在温度梯度场中一次烧结成梯 度材料。烧结时间一般仅几分钟。目前已取得良好烧结效果的梯度材料有:不锈钢/Z rO2系梯度材料;PSZ/Ti系梯度材料等。目前，放电等离子烧结（SPS）技术在异 种材料连接领域，多采用加梯度过渡中间层实现异种材料的成型与连接。

黄彦吴伟朱祥华袁琪琛、俞健等人在专利201110286030.X“一种适用于异种 金属材料焊接的焊接结及其制备方法”中公开了一种适用于异种金属材料焊接的焊接 结及其制备方法。该焊接结的制备方法为粉末冶金法，根据异种金属母材的材质选择 金属粉末，配制出异种金属母材中主要元素含量呈梯度变化的两种以上混合粉料，经 成型、热处理和机械加工制得梯度结构焊接结。该专利中所述接头的设计未涉接头设 计原则，只考虑了成分的梯度变化，未考虑膨胀系数的梯度匹配。该专利限定了梯度 材料中主要成分元素必须与母材中主要元素相同，这对于连接钛-钢异种金属来说难 以实现阻隔铁、钛形成Fe-Ti脆性金属间化合物。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题提供一种钛-钢异种金属烧结/焊接的 连接方法和适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头， 采用V-Cu基梯度合金作为钛-钢异种金属连接的梯度接头，其中V-Cu基梯度合金C1、 C2、C3由多种金属粉末按照不同比例混合而成的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成， C1、C2、C3中钒粉的含量分别是50%～60%、25%～30%、10%～20%；C1、C2、C3 中铜粉的含量分别为25%～35%、50%～60%、65%～75%；C1、C2、C3中镍、铝、铬 金属粉末的含量均为3%～10%，C1、C2、C3膨胀系数分别为：9.5～10.5X10^-6.K^-1、 11.5～12.5X10^-6.K^-1、13.5～14.3X10^-6.K^-1。

本发明所述的与V-Cu基梯度合金粉末连接的钛为钛或其合金；与V-Cu基梯度 合金粉末连接的钢为不锈钢。

一种钛-钢异种金属连接烧结/焊接方法，首先将钛或其合金置于模具中并预加压、 其次依次将V-Cu基梯度合金粉末C1、C2、C3逐一置于模具中并预加压，再将不锈 钢置于模具中并预加压，最后将模具置于烧结设备中进行放电等离子烧结成型。

本发明所述的放电等离子烧结工艺中烧结温度为825℃—950℃，烧结压力为 40-50MPa，保温时间为10-15min。

本发明所述的钛或其合金、不锈钢为块体或粉末。

本发明所述的钛或其合金粉末、V-Cu基梯度合金粉末和不锈钢粉末粒度在300 目到500目之间。

本发明所述的钛或其合金粉末和不锈钢粉末均经过球磨处理，球料质量比为 10:1，转速为200r/min，球磨时间为6h。

本发明所述的V-Cu基梯度合金粉末中除低熔点金属粉末外其它各金属粉末均经 过球磨处理，球料质量比为10:1，转速为200r/min，球磨时间为6h。

本发明所述的模具采用ISO-63石墨棒加工而成的中空筒状。

本发明与现有技术相比，其显著特点是：第一，本发明基于提高钛-钢异种金属 连接的抗热疲劳性能及强度的目的，首次提出了成分和膨胀系数梯度过渡的钛-钢异 种金属连接中间过渡层的设计方法。本发明首次提出了将V-Cu基梯度合金粉末作为 钛-钢异种金属连接的过渡中间层。第二，采用成分及线膨胀系数梯度过渡的混合粉 末作为中间层，可以有效防止钛和钢直接连接时成分突变及膨胀系数差异大所引起热 应力和相变应力导致的脆性相开裂等问题，从而解决了钛及钛合金与不锈钢可连接性 差、接头强度低、热疲劳寿命低、焊接工艺难度大、接头可靠性差等难题。第三，加 混合粉末进行钛及钛合金与不锈钢的连接，可通过调整粉末成分及其分布，实现钛元 素与铁元素的隔离、减少脆性相的形成、优化脆性相分布，同时也可通过微量合金元 素的添加改善脆性相塑韧性。因此采用该技术进行钛-钢的连接结合了固相焊和粉末 成分可调的优点，既避免熔焊条件下过多的钛元素与铁元素的结合、晶粒的长大，又 可以通过粉末中合金元素的作用，抑制脆性相形成元素之间的互扩散、改善脆性相塑 韧性、最大限度的减少合金成分的偏析，消除粗大、不均匀的铸造组织。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

梯度接头为V-Cu基梯度合金，其中钒金属及铜金属为主要成分。钛或其合金采 用TC4钛合金块体、不锈钢采用316L不锈钢块体，TC4钛合金块体、316L不锈钢 块体与V-Cu基梯度合金的膨胀系数呈梯度变化匹配。为了使V-Cu基梯度合金两端 与TC4钛合金块体、316L不锈钢块体连接性佳，V-Cu基梯度合金由多种金属粉末按 照不同比例混合而成的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成，按照以下梯度设置为： C1+C2+C3，其中C1混合粉末与TC4钛合金块体一侧相连，C3混合粉末与316L不 锈钢块体一侧相连，C1混合粉末成分为：镍5%、钒53.0%、铜32.0%、铝5%、铬 5%；C2混合粉末成分为：镍5%、钒28.0%、铜57.0%、铝5%、铬5%；C3混合粉 末成分为：镍5%、钒13.0%、铜72.0%、铝5%、铬5%。

上述混合粉末膨胀系数梯度匹配的计算采用Turner经过模型分析后提出的计算多 晶体、多相体或复合材料体平均线膨胀系数的经验方程。根据计算所得20℃—100℃ 的理论线膨胀系数为C1：11.51X10^-6.K^-1、C2：13.0X10^-6.K^-1、C3：14.7X10^-6.K^-1， TC420℃—100℃线膨胀系数为7.89X10^-6.K^-1，316L20℃—100℃线膨胀系数为16 X10^-6.K^-1。

将TC4钛合金块体、316L不锈钢块体先进行机械打磨、除锈、除污处理。

混合粉末的梯度粉末C1、C2、C3先进行球磨处理，步骤为：首先除低熔点金属 铝之外的其它各梯度粉末进行球磨混合，球料质量比为10:1，转速为200r/min，球 磨时间为6h；其次向各梯度粉末中加入低熔点金属铝后进行机械均匀混合。

将TC4钛合金块体、混合粉末、316L不锈钢块体按照梯度关系依次装进ISO-63 石墨棒加工而成的中空筒状模具中，本发明中所用的预压压头与模具的模腔口径形状 大小相匹配，且端面平整，粉料装模时，先装TC4钛合金块体，再依次加入C1混合 粉末、C2混合粉末、C3混合粉末，且每加一次混合粉末需进行一次预加压，最后加 入316L不锈钢块体，预加压后加盖压头，进行放电等离子烧结制样，烧结温度为 900℃，烧结压力为45MPa，保温时间为15min。所得烧结样品致密度不低于90%， 强度不低于450MPa。

实施例2

梯度接头为V-Cu基梯度合金，其中钒金属及铜金属为主要成分。钛或其合金采 用Ti金属粉末、不锈钢采用316L不锈钢粉末，Ti金属粉末、316L不锈钢粉末与V-Cu 基梯度合金的膨胀系数呈梯度变化匹配。为了使V-Cu基梯度合金两端与Ti金属粉末、 316L不锈钢粉末连接性佳，V-Cu基梯度合金由多种金属粉末按照不同比例混合而成 的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成，按照以下梯度设置为：C1+C2+C3，其中C1 混合粉末与Ti金属粉末一侧相连，C3混合粉末与316L不锈钢粉末一侧相连，C1混 合粉末成分为：镍5%、钒60%、铜25%、铝5%、铬5%；C2混合粉末成分为：镍 5%、钒35%、铜50%、铝5%、铬5%；C3混合粉末成分为：镍5%、钒20%、铜65%、 铝5%、铬5%。

上述混合粉末膨胀系数梯度匹配的计算采用Turner经过模型分析后提出的计算多 晶体、多相体或复合材料体平均线膨胀系数的经验方程。根据计算所得20℃-100℃的 理论线膨胀系数为C1：9.8X10^-6.K^-1、C2：11.7X10^-6.K^-1、C3：13.5X10^-6.K^-1，Ti20℃ —100℃线膨胀系数为7.89X10^-6.K^-1，316L20℃—100℃线膨胀系数为16X10^-6.K^-1。

将Ti金属粉末、316L不锈钢粉末事先通过球磨处理，球料质量比为10:1，转速 为200r/min球磨时间为6h。

混合粉末的梯度粉末C1、C2、C3先进行球磨处理，步骤为：首先除低熔点金属 铝之外的其它各梯度粉末进行球磨混合，球料质量比为10:1，转速为200r/min，球 磨时间为6h；其次向各梯度粉末中加入低熔点金属铝后进行机械均匀混合。

将Ti金属粉末、混合粉末、316L不锈钢粉末按照梯度关系依次装进ISO-63石墨 棒加工而成的中空筒状模具中，本发明中所用的预压压头与模具的模腔口径形状大小 相匹配，且端面平整，粉料装模时，先装Ti金属粉末，再依次加入C1混合粉末、C2 混合粉末、C3混合粉末，且每加一次混合粉末需进行一次预加压，最后加入316L不 锈钢块粉末，预加压后加盖压头，进行放电等离子烧结制样，烧结温度为850℃，烧 结压力为40MPa，保温时间为12min。所得烧结样品致密度不低于85%，强度不低 于250MPa。

实施例3

梯度接头为V-Cu基梯度合金，其中钒金属及铜金属为主要成分。钛或其合金采 用TC4钛合金块体、不锈钢采用304SS不锈钢块体，TC4钛合金块体、304SS不锈 钢块体与V-Cu基梯度合金的膨胀系数呈梯度变化匹配。为了使V-Cu基梯度合金两 端与TC4钛合金块体、304SS不锈钢块体连接性佳，V-Cu基梯度合金由多种金属粉 末按照不同比例混合而成的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成，按照以下梯度设置 为：C1+C2+C3，其中C1混合粉末与TC4钛合金块体一侧相连，C3混合粉末与316L 不锈钢块体一侧相连，C1混合粉末成分为：镍5%、钒53.0%、铜32.0%、铝5%、铬 5%；C2混合粉末成分为：镍5%、钒28.0%、铜57.0%、铝5%、铬5%；C3混合粉 末成分为：镍5%、钒13.0%、铜72.0%、铝5%、铬5%。

上述混合粉末膨胀系数梯度匹配的计算采用Turner经过模型分析后提出的计算多 晶体、多相体或复合材料体平均线膨胀系数的经验方程。根据计算所得20℃—100℃ 的理论线膨胀系数为C1：11.51X10^-6.K^-1、C2：13.0X10^-6.K^-1、C3：14.7X10^-6.K^-1， TC420℃—100℃线膨胀系数为7.89X10^-6.K^-1，316L20℃—100℃线膨胀系数为16 X10^-6.K^-1。

将TC4钛合金块体、304SS不锈钢块体先进行机械打磨、除锈、除污处理。

混合粉末的梯度粉末C1、C2、C3先进行球磨处理，步骤为：首先除低熔点金 属铝之外的其它各梯度粉末进行球磨混合，球料质量比为10:1，转速为200r/min， 球磨时间为6h；其次向各梯度粉末中加入低熔点金属铝后进行机械均匀混合。

将TC4钛合金块体、混合粉末、304SS不锈钢块体按照梯度关系依次装进ISO-63 石墨棒加工而成的中空筒状模具中，本发明中所用的预压压头与模具的模腔口径形状 大小相匹配，且端面平整，粉料装模时，先装TC4钛合金块体，再依次加入C1混合 粉末、C2混合粉末、C3混合粉末，且每加一次混合粉末需进行一次预加压，最后加 入304SS不锈钢块体，预加压后加盖压头，进行放电等离子烧结制样，烧结温度为 950℃，烧结压力为45MPa，保温时间为15min。所得烧结样品致密度不低于98%， 强度不低于300MPa。