复合填充层的制备方法及其电子束焊接钛金属材料与不锈钢的方法

摘要

复合填充层的制备方法及其电子束焊接钛金属材料与不锈钢的方法，它属于金属焊接领域。本发明解决了钛金属材料与不锈钢对接焊接因脆性相生成极易造成焊缝强度低、脆性大的问题。复合填充层的制备方法：将钒粉装入模具中，钒粉、铬粉、镍粉和铜粉混匀后装入模具，冷压成型，真空扩散连接处理。焊接方法：用复合填充层作中间层电子束焊接。本发明的复合中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，实现了接头中元素分布的过渡，避免了脆性化合物层形成。本发明焊接方法获得接头中无脆性相，接头的抗拉强度390MPa以上。本发明适于航空发动机推力室身部、核工业核燃料处理设备、化工以及医疗设备中钛/钢复合构件的制造。

说明书

技术领域

本发明属于异种难焊金属电子束连接领域，具体涉及复合填充层的制备方法及其电子束焊接钛金属材料与不锈钢的方法。

背景技术

航空航天业的发展对新一代发动机的性能提出了更高指标，要求发动机推力室工作压力和温度大幅度提高，同时还要提高发动机自身的推重比，进一步增强其快捷机动性能。采用钛合金取代部分钢质体与铜合金相连接用于发动机推力室身部制造，可实现局部减重10~15％，满足新一代液氧煤油大推力火箭发动机及高空分导发动机的高性能需求。同时，逐步在航天动力承载结构中使用钛合金替代部分钢质结构体亦成为今后航天器瘦身减重的重要手段之一。此外，在核动力装置中的核燃料后处理设备、卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件、电极、电解槽、电镀、反应塔、强酸强碱容器、高尔夫球杆及医疗设备等也经常用到钛合金与不锈钢的复合构件。对于钛合金与不锈钢的焊接，现有工艺主要采用将钛合金与不锈钢对接后熔化焊焊接而成，由于熔化焊时接头产生大量连续分布的脆性金属间化合物，焊后极易开裂，很难实现二者连接，而钎焊、扩散焊、摩擦焊接头则在使用中受到强度、接头形式、使用条件以及生产效率的限制，不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有钛金属材料与不锈钢焊接工艺因脆性相生成极易造成焊后焊缝强度低、脆性大的问题；而提供了复合填充层的制备方法及其电子束焊接钛金属材料与不锈钢的方法。

本发明中复合填充层的制备方法是按下述步骤进行的：一、向模具中装入厚度为1~3mm的钒粉，然后压制成厚度为0.3~0.7mm块；二、再向模具中装入厚度为2~5mm混合粉末，混合粉末按重量百分比由20%~45%钒粉、3%~7%铬粉、2%~5%镍粉和余量的铜粉混匀而成，所述的钒粉、铬粉、镍粉和铜粉的纯度均在99.95%以上，然后冷压成型，然后放入真空加热炉内，在真空度为4×10^-3Pa和反应温度为850~970℃条件下保温2~6h进行真空扩散连接处理；制得厚度为1.0~1.7mm的复合填充层。

本发明所述的复合中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，实现了接头中元素分布的过渡，避免了脆性化合物层形成的同时获得良好的焊缝成形，拓宽了工艺参数阈度，增强了工艺可达性。采用本实施方式所述的复合中间层焊接钛金属材料和不锈钢，得到的接头无脆性相，接头的抗拉强度390MPa以上。

本发明中复合填充层焊接钛金属材料（钛或钛合金）与不锈钢的方法是通过下述步骤实现的：一、将权利要求1所述方法制备的复合填充层作为中间层置于钛金属材料与不锈钢连接面之间，使复合填充层的钒含量高的一侧靠近钛金属材料，用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.1mm，即得到钛金属材料-复合填充层-不锈钢的待焊件；二、将步骤一得到的待焊件放入丙酮中进行超声波清洗，再酸洗；三、然后用夹具刚性固定待焊件，然后置于真空电子束焊接真空室内，分两次进行焊接，两次焊接的电子束流作用点位于复合填充层，第一道焊接的电子束流作用点与复合填充层与钛合金接触面之间距离t₁为0.2~0.6mm，第一道焊接参数：焊接速度为350~400mm/min、加速电压为50~60kV、聚焦电流为2400~2500mA和电子束流为10mA，第二道焊时束流作用点与第一道焊束流作用点距离t₂为0.5~1.2mm，两道焊的时间间隔在2min以内，第二道焊接参数：焊接速度为350~400mm/min、加速电压为50~60kV、聚焦电流为2400~2500mA和电子束流为10mA，即完成了钛金属材料与不锈钢的焊接。

本发明方法在钛金属和不锈钢之间加入中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，实现了接头中元素分布的过渡，避免了脆性化合物层形成，接头的抗拉强度390MPa以上；该方法适用于航空发动机推力室身部、核工业核燃料处理设备、化工以及医疗设备中钛/钢复合构件及钛合金/钢复合构件的制造。

附图说明

图1是冷压成形过程示意图；图2是电子束作用位置示意图；图3是具体实施方式十方法获得近钛侧焊缝区显微组织形貌图；图4是具体实施方式十方法获得近钢侧焊缝区显微组织形貌图；其中1表示压力，2表示模冲，3表示模具，4表示铬粉、镍粉和铜粉的混合粉体，5表示钒粉，6表示第一次焊接电子束7表示第二次焊接电子束，8表示钛金属材料，9表示复合填充层，10表示不锈钢。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中复合填充层的制备方法是按下述步骤进行的：一、向模具中装入厚度为1~3mm的钒粉，然后压制成厚度为0.3~0.7mm块；二、再向模具中装入厚度为2~5mm混合粉末（参见图1），混合粉末按重量百分比由20%~45%钒粉、3%~7%铬粉、2%~5%镍粉和余量的铜粉混匀而成，所述的钒粉、铬粉、镍粉和铜粉的纯度均在99.95%以上，然后冷压成型，然后放入真空加热炉内，在真空度为4×10^-3Pa和反应温度为850~970℃条件下保温2~6h进行真空扩散连接处理；制得厚度为1.0~1.7mm的复合填充层。

本实施方式所述的复合中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，实现了接头中元素分布的过渡，避免了脆性化合物层形成的同时获得良好的焊缝成形，拓宽了工艺参数阈度，增强了工艺可达性。采用本实施方式所述的复合中间层焊接钛金属材料和不锈钢，得到的接头无脆性相，接头的抗拉强度390MPa以上。

   具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中混合粉末按重量百分比由30%~40%钒粉、4%~6%铬粉、2.5%~4.5%镍粉和余量的铜粉混匀而成。其它步骤和参数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不同的是：步骤二中混合粉末按重量百分比由30%~40%钒粉、4%~6%铬粉、2.5%~4.5%镍粉和余量的铜粉混匀而成。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

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：步骤二中所述铜粉粒度200~400目。其它步骤和参数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：步骤一和二中所述钒粉粒度均为350~500目。其它步骤和参数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五之一不同的是：步骤二中所述铬粉粒度350~500目。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

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：步骤二中所述镍粉粒度350~500目。其它步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式利用具体实施方式一所述方法制备的复合填充层焊接钛金属材料与不锈钢的方法是通过下述步骤实现的：一、将具体实施方式一所述方法制备的复合填充层作为中间层置于钛金属材料与不锈钢连接面之间，使复合填充层的钒含量高的一侧靠近钛金属材料，用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.1mm，即得到钛金属材料-复合填充层-不锈钢的待焊件；二、将步骤一得到的待焊件放入丙酮中进行超声波清洗，再酸洗；三、然后用夹具刚性固定待焊件，然后置于真空电子束焊接真空室内，分两次进行焊接，两次焊接的电子束流作用点位于复合填充层（参见图2），第一道焊接的电子束流作用点与复合填充层与钛合金接触面之间距离t₁为0.2~0.6mm，第一次焊接参数：焊接速度为350~400mm/min、加速电压为50~60kV、聚焦电流为2400~2500mA和电子束流为10mA，第二道焊时束流作用点与第一道焊束流作用点距离t₂为0.5~1.2mm，两道焊的时间间隔在2min以内，第二次焊接参数：焊接速度为350~400mm/min、加速电压为50~60kV、聚焦电流为2400~2500mA和电子束流为10mA，即完成了钛金属材料与不锈钢的焊接。

本发明方法在钛金属和不锈钢之间加入中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，实现了接头中元素分布的过渡，避免了脆性化合物层形成，接头的抗拉强度390MPa以上；该方法适用于航空发动机推力室身部、核工业核燃料处理设备、化工以及医疗设备中钛/钢复合构件及钛合金/钢复合构件的制造。

  具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤二酸洗是将待焊件放入由HNO₃和HF混合溶液中1～4min后蒸馏水冲洗干净，其中HNO₃浓度为200g/L，HF浓度为30g/L。其它步骤和参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤二中蒸馏水冲洗是利用高速水流冲洗。其它步骤和参数与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一： 本实施方式中待焊板材规格为50mm×25mm×2.5mm，复合填充层的厚度1.7mm，长50mm，宽2.5mm。不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，钛合金牌号为TA15，成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。所述复合填充层的制备方法是按下述步骤进行的：一、向模具中装入钒粉，然后压制成厚度为0.7mm块；二、再向模具中装入混合粉末（参见图1），混合粉末按重量百分比由27%钒粉、5%铬粉、3%镍粉和65%的铜粉混匀而成，所述的钒粉、铬粉、镍粉和铜粉的纯度均在99.95%以上，然后冷压成型，然后放入真空加热炉内，在真空度为4×10^-3Pa和反应温度为930℃条件下保温2h进行真空扩散连接处理；制得厚度为1.7mm的复合填充层。焊前将复合填充层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使铜过渡层与对接面间隙小于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在如下水溶液中进行：1L水中含有HNO₃ 200g，HF 30g。酸洗时间1-4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10^-5Pa，即进行焊接。第一道焊接时束流作用点位于钒层上，并距填充层/钛合金接触面0.35mm。第二道焊接时作用点位于钒铜合金层上，距第一道焊接束流作用点1.0mm。两道焊时间间隔1.5min。焊接参数为：第一道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流10mA，焊接速度360mm/min。第二道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流10mA，焊接速度360mm/min。图3所示为钛侧焊缝区显微组织形貌，由钛钒固溶体和铜基固溶体组成，图4为不锈钢侧焊缝区形貌，在靠近钢母材的区域由铜和铁基固溶体组成，可见，通过该工艺接头中无脆性化合物生成，接头抗拉强度为392MPa，达到不锈钢的71%。

具体实施方式十二：本实施方式中待焊板材规格为50mm×25mm×5mm，复合填充层厚度1.7mm，长50mm，宽5mm。所述复合填充层的制备方法是按下述步骤进行的：一、向模具中装入钒粉，然后压制成厚度为0.9mm块；二、再向模具中装入混合粉末（参见图1），混合粉末按重量百分比由40%钒粉、5%铬粉、3%镍粉和52%的铜粉混匀而成，所述的钒粉、铬粉、镍粉和铜粉的纯度均在99.95%以上，然后冷压成型，然后放入真空加热炉内，在真空度为4×10^-3Pa和反应温度为960℃条件下保温4h进行真空扩散连接处理；制得厚度为1.7mm的复合填充层。钛合金牌号为TA15，成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。焊前将填充层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使铜过渡层与对接面间隙小于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在如下水溶液中进行：1L水中含有HNO₃ 200g，HF 30g。酸洗时间1~4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10^-5Pa，即进行焊接。第一道焊接时束流作用点位于钒层上，并距填充层/钛合金接触面0.45mm。第二道焊接时作用点位于钒铜合金层上，距第一道焊接束流作用点0.8mm。两道焊时间间隔1min。焊接参数为：第一道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流20mA，焊接速度360mm/min。第二道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流20mA，焊接速度360mm/min。接头抗拉强度为400MPa，达到不锈钢的73%。

具体实施方式十三：本实施方式中待焊板材规格为50mm×25mm×2.5mm，填充层厚度1.7mm，长50mm，宽2.5mm。所述复合填充层的制备方法是按下述步骤进行的：一、向模具中装入钒粉，然后压制成厚度为0.7mm块；二、再向模具中装入混合粉末（参见图1），混合粉末按重量百分比由27%钒粉、5%铬粉、3%镍粉和65%的铜粉混匀而成，所述的钒粉、铬粉、镍粉和铜粉的纯度均在99.95%以上，然后冷压成型，然后放入真空加热炉内，在真空度为4×10^-3Pa和反应温度为930℃条件下保温2h进行真空扩散连接处理；制得厚度为1.7mm的复合填充层。钛合金牌号为TB5，成分为：Ti-15V-3Cr-3Al，不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。焊前将填充层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使铜过渡层与对接面间隙小于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在如下水溶液中进行：1L水中含有HNO₃ 200g，HF 30g。酸洗时间1~4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10^-5Pa，即进行焊接。第一道焊接时束流作用点位于钒层上，并距填充层/钛合金接触面0.35mm。第二道焊接时作用点位于钒铜合金层上，距第一道焊接束流作用点1.0mm。两道焊时间间隔1.5min。焊接参数为：第一道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流10mA，焊接速度360mm/min。第二道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流10mA，焊接速度360mm/min。接头抗拉强度为410MPa，达到不锈钢的75%。

具体实施方式十四：本实施方式中待焊板材规格为50mm×25mm×5mm，填充层厚度1.7mm，长50mm，宽2.5mm。所述复合填充层的制备方法是按下述步骤进行的：一、向模具中装入钒粉，然后压制成厚度为0.7mm块；二、再向模具中装入混合粉末（参见图1），混合粉末按重量百分比由40%钒粉、5%铬粉、3%镍粉和52%的铜粉混匀而成，所述的钒粉、铬粉、镍粉和铜粉的纯度均在99.95%以上，然后冷压成型，然后放入真空加热炉内，在真空度为4×10^-3Pa和反应温度为960℃条件下保温4h进行真空扩散连接处理；制得厚度为1.7mm的复合填充层。钛合金牌号为TB5，成分为：Ti-15V-3Cr-3Al，不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。焊前将填充层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使铜过渡层与对接面间隙小于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在如下水溶液中进行：1L水中含有HNO₃ 200g，HF 30g。酸洗时间1-4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10^-5Pa，即进行焊接。第一道焊接时束流作用点位于钒层上，并距填充层/钛合金接触面0.35mm。第二道焊接时作用点位于钒铜合金层上，距第一道焊接束流作用点1.0mm。两道焊时间间隔1.5min。焊接参数为：第一道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流18mA，焊接速度360mm/min。第二道焊加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流18mA，焊接速度360mm/min。接头抗拉强度为399MPa，达到不锈钢的72%。