TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊连接方法

摘要

TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊连接方法属于异种材料连接技术领域。现有TiNi形状记忆合金与不锈钢的连接技术存在焊接裂纹，热影响区晶粒粗大，力学性能差等问题。本发明通过将TiNi形状记忆合金与不锈钢的待焊面和AgCuTi箔表面清洁干燥后，组合成TiNi形状记忆合金/AgCuTi金属箔/不锈钢结构，再用焊接卡具固定，并置于真空扩散炉内，施加焊接压力和温度，实现TiNi形状记忆合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接。本发明方法焊接温度低(相对于熔焊)，对母材影响小，接头无焊接缺陷，接头室温剪切强度达到250MPa，近缝区的显微硬度达670Hv。

说明书

技术领域

本发明属于异种材料连接技术领域，具体涉及TiNi形状记忆合金与不锈钢的瞬间液相扩散焊连接方法。

背景技术

TiNi形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性，其比强度高，抗磨损、抗腐蚀、减振性和生物相容性良好，可广泛应用于空间技术、能源交通、自动控制、机械制造、生物医学及日常生活等领域。但是TiNi形状记忆合金价格较贵，若在实际应用中将其与性能优异、价格低廉的不锈钢连接成复合构件，不仅可以充分发挥两种材料各自的性能优势，还可大大降低材料成本，扩大TiNi形状记忆合金的应用范围。

目前，国内外已有关于TiNi形状记忆合金与不锈钢连接技术方面的研究，主要采用等离子弧焊，激光焊和钎焊技术。如挪威的Caspervander Eijk等采用等离子弧焊连接TiNi形状记忆合金与不锈钢A240，结果表明接头生成大量的TiC、Ti₂Ni、TiNi₃等脆性化合物，影响接头力学性能和形状记忆性能，且界面靠近TiNi一侧产生明显的焊接裂纹(Casper vander Eijk，Hans Fostervoll，Zuhair K，et al.Plasma Welding of NiTi to NiTi，Stainless Steel andHastelloy-C276[C].ASM Materials Solutions 2003 Conference，Pittsburgh，Pennsylvania，USA，2003，10：13～15.)。日本的关则政等采用不同钎料，在红外线加热炉中于氩气流中以0.5MPa的压力钎焊TiNi形状记忆合金丝和SUS304不锈钢丝。当采用不加Ni的Ag基钎料时，接头区钎料与焊接件界面上所形成的脆性FeTi系化合物层，致使接头的抗拉强度只有275Mpa；采用加Ni的Ag基钎料时，虽然可以抑制FeTi系化合物的产生，但是在TiNi合金一侧形成大量的硬脆的TiNi₃相，破坏了母材的有序共格性，对接头性能不利(關政則，山本弘樹，野尻誠等.Ti-Ni形状記憶合金とステンレス鋼のろう付.日本金属学会誌，2000，64(8)：632～640.)。我国的李明高等人为提高TiNi形状记忆合金丝和306不锈钢丝钎焊接头综合性能，研制了一种AgCuZnSn钎料，并采用该钎料进行实际激光焊接，接头最大抗拉强度为360MPa，断裂应变为10％，但是接头TiNi一侧热影响区晶粒严重长大，硬度和弹性大大降低，同时激光焊成本较高(X.M.Qiu，M.G.Li，D.Q.Sun.Study on brazing of TiNi shapememory alloy with stainless steels.Journal of MaterialsProcessing Technology，2006，176：8～12.)。

总的来说，熔焊温度对TiNi形状记忆合金的组织和性能影响很大。高温下Ti对C、O、H的亲和力很强，焊接过程中TiNi合金易吸入这些气体在接头形成脆性化合物，降低接头的力学性能和形状记忆性能；同时焊接热输入导致接头晶粒粗化和异质元素扩散，破坏了TiNi合金母材的有序点阵结构，阻碍马氏体相变，从而影响接头的形状记忆效应。另一方面，TiNi形状记忆合金和不锈钢的性能差异导致接头产生焊接裂纹和脆性金属间化合物。而扩散连接技术对性能差别大、互溶度小、相互间易产生脆性金属间化合物的异种材料可实现牢固连接。但到目前为止，尚未见关于TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊技术的报道。

发明内容

本发明的目的在于解决现有TiNi形状记忆合金与不锈钢连接技术的不足，提供一种TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊连接方法。

本发明所提供的方法包括以下步骤：

1)将TiNi形状记忆合金和不锈钢的待焊面打磨平整后，在丙酮溶剂中超声波清洗除油去污，并干燥；

2)将厚度为20～100μm的AgCuTi金属箔在丙酮溶剂中超声波清洗，并干燥；

3)将AgCuTi金属箔置于TiNi形状记忆合金与不锈钢的待焊面之间，组合成TiNi形状记忆合金/AgCuTi金属箔/不锈钢结构后，在焊接卡具中固定压紧(如图1所示)，并置于扩散炉的真空室中，在焊接卡具与TiNi形状记忆合金和不锈钢的接触面上涂敷阻焊剂；

4)施加0.05～2MPa的焊接压力，待真空度达到10^-2～10^-3Pa后，以30～40℃/min的加热速度升温至550～650℃，保温10～40min，再升温至800～1000℃，保温10～100min后，随炉冷却，卸压(如图2所示)。

其中，所述的AgCuTi金属箔中各元素的重量百分比为：Ag：62～72％、Cu：20～28％、Ti：0～13％。

本发明的原理为：选用活化温度范围低于TiNi形状记忆合金与不锈钢熔化温度的AgCuTi金属箔作为活性中间层。瞬间液相扩散焊过程中，活性中间层首先发生活化反应，分解出活性Ti原子迅速扩散到TiNi形状记忆合金与不锈钢的接触表面，一方面激活TiNi形状记忆合金与不锈钢表面的Ti、Ni、Fe、Cr等原子，另一方面，促进上述各原子间相互扩散反应，生成新相，从而在TiNi形状记忆合金与AgCuTi活性中间层界面及AgCuTi活性中间层与不锈钢界面形成扩散反应层，实现TiNi形状记忆合金与不锈钢的冶金结合。在温度不变的条件下，随扩散反应时间的进行，活性中间层成分改变，液态金属的熔点不断升高，最后沉积在基体表面，即发生“等温凝固”。而在随炉冷却的过程中，各元素进一步扩散，接头成分趋于均匀化，最终完成TiNi形状记忆合金与不锈钢的连接。

与现有TiNi形状记忆合金与不锈钢的连接技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1)TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊温度较其熔焊温度低，焊接过程中对母材(TiNi形状记忆合金与不锈钢)的组织和性能影响小，特别是TiNi侧热影响区形状记忆性能损失较少。

2)TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊接头在等温凝固完成后具有明显的不同于中间层金属的成分，并在一定情况下最终的显微组织中分辨不出中间层，因此，其接头比一般硬钎焊接头的强度高，且抗蚀性高于钎焊接头。

3)添加活性中间层，有效的缓解由于TiNi形状记忆合金和不锈钢的物理化学性能差异而引起的焊接应力，从而减小接头的裂纹倾向。同时可通过调节中间层的成分和规格来控制脆性化合物的形成，提高接头的力学性能和形状记忆性能。在适当的参数下，TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊连接头无任何焊接缺陷，其剪切强度可达250Mpa，近缝区的显微硬度达670Hv。

附图说明

图1、装卡示意图，其中，1为上压头、2为卡具上板、3为阻焊剂层、4为TiNi形状记忆合金板，5为卡具下板、6为下压头、7为不锈钢板，8为AgCuTi金属箔。

图2、本发明中TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺示意图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

1)将TiNi形状记忆合金与不锈钢304分别切成30×10×2mm的长方形条状，并用砂纸逐级打磨至表面平整有金属光泽后，放入丙酮溶剂中超声波清洗10min，擦净晾干；

2)将厚度为20μm的Ag72Cu28Ti0金属箔剪成10×10mm的正方形，并放入丙酮溶剂中超声波清洗10min，擦净晾干；

3)将Ag72Cu28Ti0金属箔置于TiNi形状记忆合金与不锈钢304之间，组合成TiNi形状记忆合金/Ag72Cu28Ti0金属箔/不锈钢304的三明治结构后，用卡具固定压紧(如图1所示)，并置于扩散炉的真空室中，在焊接卡具与TiNi形状记忆合金和不锈钢304的接触面上预先涂敷阻焊剂；

4)关闭真空室门，施加焊接压力为0.05MPa，待真空度达到1.0×10^-2Pa后，以30℃/min的升温速度升温至550℃，保温40min，再升温至800℃，保温100min，之后随炉冷却至室温，卸压(如图2所示)。

扩散焊接头晶粒细小，剪切强度达224.8Mpa。

实施例2

1)将TiNi形状记忆合金与不锈钢304分别切成30×10×2mm的长方形条状，并用砂纸逐级打磨至表面平整有金属光泽后，放入丙酮溶剂中超声波清洗10min，擦净晾干；

2)将厚度为50μm的Ag62Cu27Ti11金属箔剪成10×10mm的正方形，并放入丙酮溶剂中超声波清洗10min，擦净晾干；

3)将Ag62Cu27Ti11金属箔置于TiNi形状记忆合金与不锈钢304之间，组合成TiNi形状记忆合金/Ag62Cu27Ti11金属箔/不锈钢304的三明治结构后，用卡具固定压紧(如图1所示)，并置于扩散炉的真空室中，在焊接卡具与TiNi形状记忆合金和不锈钢304的接触面上预先涂敷阻焊剂；

4)关闭真空室门，施加焊接压力为0.1MPa，待真空度达到5.0×10^-2Pa后，以35℃/min的升温速度升温至600℃，保温20min，再升温至880℃，保温60min，之后随炉冷却至室温，卸压(如图2所示)。

扩散焊接头组织均匀，晶粒细小，剪切强度达250.0Mpa。

实施例3

1)将TiNi形状记忆合金与不锈钢304分别切成30×10×2mm的长方形条状，并用砂纸逐级打磨至表面平整有金属光泽后，放入丙酮溶剂中超声波清洗10min，擦净晾干；

2)将厚度为100μm的Ag67Cu20Ti13金属箔剪成10×10mm的正方形，并放入丙酮溶剂中超声波清洗10min，擦净晾干；

3)将Ag67Cu20Ti13金属箔置于TiNi形状记忆合金与不锈钢304之间，组合成TiNi形状记忆合金/Ag67Cu20Ti13金属箔/不锈钢304的三明治结构后，用卡具固定压紧(如图1所示)，并置于扩散炉的真空室中，在焊接卡具与TiNi形状记忆合金和不锈钢304的接触面上预先涂敷阻焊剂；

4)关闭真空室门，施加焊接压力为2MPa，待真空度达到1.0×10^-3Pa后，以40℃/min的升温速度升温至650℃，保温10min，再升温至1000℃，保温10min，之后随炉冷却至室温，卸压(如图2所示)。

扩散焊接头组织均匀，晶粒略微长大，强度达198.6Mpa。