一种钛合金与不锈钢的真空微扩散连接方法

摘要

一种钛合金与不锈钢的真空微扩散连接方法，涉及一种钛合金与不锈钢的连接方法。是要解决目前钛合金与不锈钢扩散连接过程中，由于界面处极易形成连续且高脆性的金属间化合物，从而导致焊接接头强度低、韧性差的问题。方法：一、钛合金和不锈钢母材的加工；二、钛合金和不锈钢母材待连接表面的处理；三、试样装配；四、微扩散连接；五、对焊后件进行二次加工。通过此方法获得的连接接头的拉伸强度可达450-620MPa，韧性可达80-120J/cm2。本发明用于钛合金和不锈钢之间的连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金与不锈钢的连接方法。

背景技术

不锈钢是最常用的结构材料，具有一系列优良的性能，如加工性能、力学性能、疲 劳性能、焊接性、热稳定性等，且成本相对较低，在航空航天领域的诸多部件中得到应 用。然而，由于比重较大等原因，不锈钢在航空航天领域的使用受到限制，往往需要与 其他材料构成复合构件。

钛是五十年代发展起来的一种重要金属，具有比强度高、比刚度高、耐热性、韧性 好、导热性能好和抗疲劳性好等优点，航空航天、石油化工、国防、核能、船舶、电子 等领域的重要材料，在尖端科学和高新技术方面发挥着重要作用。

如果将纯钛或钛合金(以下简称钛合金)与不锈钢结合起来使用，其复合构件既能 保留不锈钢的优良性能，又能减轻比重，同时具有钛合金与不锈钢的优点，充分发挥两 种材料在性能上的互补优势。在很多情况下，如核动力装置中核燃料后处理设备中的某 些零件、卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件、石油化工中的某些部件、高尔 夫球杆及医疗设备零件等，都需要兼有钛和钢的优良特性的异种材料复合连接件。

然而，由于物理和化学性能等方面的差异，钛合金和不锈钢之间的连接十分困难， 各种连接方法均很难得到高强度的接头。如公开号为CN102632324A、发明名称为焊接异 种金属的方法的中国专利公开了一种利用电弧焊连接钛和不锈钢的方法，所得到的接头 拉伸强度为282MPa；如公开号为CN101722356A、发明名称为采用复合中间层的钛金属 材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法，所得到的接头拉伸强度为299MPa；如公开 号为CN101284336A、发明名称为用于钛合金与钢连接的氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所 得到的接头拉伸强度为266.6MPa。以上三种方法得到的接头的拉伸强度均仅为母材钛强 度的50％左右，无法应用于需要高强度的场合。

发明内容

本发明是为了解决目前钛合金与不锈钢扩散连接过程中，由于界面处极易形成连续且 高脆性的金属间化合物，从而导致焊接接头强度低、韧性差的问题，提供一种钛合金与不 锈钢的真空微扩散连接方法。

本发明钛合金与不锈钢的真空微扩散连接方法，按以下步骤进行：

一、钛合金和不锈钢母材的加工：将不锈钢焊接面加工成锥形面，其中锥度为30-90°， 锥形面经抛光、细磨至表面粗糙度小于0.1μm，将钛合金焊接面加工成平面，表面粗糙度 小于0.1μm；

二、钛合金和不锈钢母材待连接表面的处理：将步骤一中的待焊母材表面，经体积浓 度为10％-15％的HCl溶液进行腐蚀处理，腐蚀时间为5-8min，然后经去离子水清洗3-5 次，再经无水乙醇清洗1次，然后用吹风机烘干待用；若处理后的母材放置超过10小时， 重复此步骤；

三、试样装配：将不锈钢焊接面的锥尖与钛合金焊接面的正中心接触并垂直装配，通 过耐高温夹具固定位置；

四、微扩散连接：将装配好的待焊件置于真空扩散焊炉内，在真空度为 1.0×10^-3Pa-7.0×10^-3Pa的条件下，以10-30℃/min的速度，升温到750-860℃，保温10-60min 后开始加压，通过控制扩散连接压力以2-10mm/min的速度使不锈钢锥面与钛合金完全接 触后，撤销压力，并同时保温1-10min，然后以5-105℃/min的速度降至室温；

五、对焊后件进行二次加工，即完成钛合金与不锈钢的真空微扩散连接。

步骤五可通过线切割、铣床等工艺对焊后件进行二次加工成特定形状的产品。

本发明通过对不锈钢和钛合金扩散连接接头的界面结构设计和界面处理，精确控制界 面处的塑性流动和物理接触，并利用不锈钢与钛合金在接触界面的超塑性流动和变形，通 过接触界面上激活原子的超扩散能力实现了二者短时间内的原子级别的结合，控制钛/钢 连接界面脆性金属间化合物的生长厚度至2μm以下，从而获得高强度与高韧性的不锈钢 与钛合金扩散连接接头。通过此方法获得的连接接头的拉伸强度可达450-620MPa，韧性 可达80-120J/cm²。另外，本发明的微扩散连接方法，在较低的温度和较短的时间内实现 钛合金与不锈钢的连接，工艺过程简单，生产效率高，焊接成本大幅降低。

附图说明

图1为实施例1中光学显微镜下接头的全貌照片；图2为实施例1中光学显微镜下接 头的局部照片；图3为实施例1中扫描电子显微镜下接头的局部照片及能谱线扫描分析； 图4为实施例1中室温下弯曲实验后的接头实物照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任 意组合。

具体实施方式一：本实施方式钛合金与不锈钢的真空微扩散连接方法，按以下步骤进 行：

一、钛合金和不锈钢母材的加工：将不锈钢焊接面加工成锥形面，其中锥度为30-90°， 锥形面经抛光、细磨至表面粗糙度小于0.1μm，将钛合金焊接面加工成平面，表面粗糙度 小于0.1μm；

二、钛合金和不锈钢母材待连接表面的处理：将步骤一中的待焊母材表面，经体积浓 度为10％-15％的HCl溶液进行腐蚀处理，腐蚀时间为5-8min，然后经去离子水清洗3-5 次，再经无水乙醇清洗1次，然后用吹风机烘干待用；若处理后的母材放置超过10小时， 重复此步骤；

三、试样装配：将不锈钢焊接面的锥尖与钛合金焊接面的正中心接触并垂直装配，通 过耐高温夹具固定位置；

四、微扩散连接：将装配好的待焊件置于真空扩散焊炉内，在真空度为 1.0×10^-3Pa-7.0×10^-3Pa的条件下，以10-30℃/min的速度，升温到750-860℃，保温10-60min 后开始加压，通过控制扩散连接压力以2-10mm/min的速度使不锈钢锥面与钛合金完全接 触后，撤销压力，并同时保温1-10min，然后以5-105℃/min的速度降至室温；

五、对焊后件进行二次加工，即完成钛合金与不锈钢的真空微扩散连接。

步骤五可通过线切割、铣床等工艺对焊后件进行二次加工成特定形状的产品。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中锥度为50°-70°。 其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中经体积浓 度为10％的HCl溶液进行腐蚀处理。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中腐蚀 时间为6-7min。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中真空 度为2.0×10^-3Pa-6.0×10^-3Pa。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中真空 度为4.0×10^-3Pa。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中以 20℃/min的速度，升温到800℃。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中通过 控制扩散连接压力以4-8mm/min的速度使不锈钢锥面与钛合金完全接触。其它与具体实 施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中通过 控制扩散连接压力以5mm/min的速度使不锈钢锥面与钛合金完全接触。其它与具体实施 方式一至七之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中以 10-80℃/min的速度降至室温。其它与具体实施方式一至九之一相同。

实施例1：

本实施例钛合金与不锈钢的真空微扩散连接方法，按以下步骤进行：

一、钛合金和不锈钢母材的加工：将不锈钢焊接面加工成锥形面，其中锥度为30-90°， 锥形面经抛光、细磨至表面粗糙度小于0.1μm，将钛合金焊接面加工成平面，表面粗糙度 小于0.1μm；

二、钛合金和不锈钢母材待连接表面的处理：将步骤一中的待焊母材表面，经体积浓 度为10％的HCl溶液进行腐蚀处理，腐蚀时间为5min，然后经去离子水清洗3次，再经 无水乙醇清洗1次，然后用吹风机烘干待用；若处理后的母材放置超过10小时，重复此 步骤；

三、试样装配：将不锈钢焊接面的锥尖与钛合金焊接面的正中心接触并垂直装配，通 过耐高温夹具固定位置；

四、微扩散连接：将装配好的待焊件置于真空扩散焊炉内，在真空度为 1.0×10^-3Pa-7.0×10^-3Pa的条件下，以10-30℃/min的速度，升温到750-860℃，保温10-60min 后开始加压，通过控制扩散连接压力以2-10mm/min的速度使不锈钢锥面与钛合金完全接 触后，撤销压力，并同时保温1-10min，然后以5-105℃/min的速度降至室温；

五、对焊后件进行二次加工，即完成钛合金与不锈钢的真空微扩散连接。

本实施例获得的焊后件，沿母材轴向方向切下3×3mm左右的长条试件在室温下进行 拉伸试验，当载荷达到497.70MPa时，试件在钛合金母材处断裂，表明接头拉伸强度已 高于母材钛合金的拉伸强度。光学显微镜下接头的全貌照片如图1所示；光学显微镜下接 头的局部照片如图2所示，图2中上部分为不锈钢，下部分为钛合金。由图1和图2可以 看出，长20mm的接头均成功实现连接，无明显缺陷。扫描电子显微镜下接头的局部照 片及能谱线扫描分析如图3所示，图3中左部分为钛合金，右部分为不锈钢，可以看出反 应相的厚度很薄，不足2μm，成功实现微扩散。在室温下对接头进行弯曲试验，当试件 角度达到75°时，接头位置仍未出现明显裂纹，如图4所示，图4中箭头所指处为接头位 置。在室温下对接头进行冲击韧性试验，在打击能量为300J(±10J)、打击瞬间摆锤的冲 击速度为5.0-5.5m/s的条件下，测得接头的冲击韧性为103.8J/cm²，已达到母材钛合金的 冲击韧性(105J/cm²)。弯曲试验和冲击韧性试验的结果表明，接头的韧性很高，基本与 母材钛合金一致。