一种用于厚板TiNi合金与钛合金异种材料的连接方法

摘要

本发明公开了一种用于厚板TiNi合金与钛合金异种材料的连接方法，如下：将TiNi合金进行酸洗至指定厚度，用砂纸打磨异种材料被焊端面至平整，再将Nb条填充到对接材料中间，用夹具固定焊材，最后将夹具与焊材一起送入电子束设备真空室，电子束流偏向钛合金一侧进行焊接，得到强度较高，综合力学性能较好的焊接接头。本发明焊接方法了消除了厚板TiNi合金与钛合金焊接产生的裂纹，阻碍了Ti2Ni等脆性金属间化合物的形成，使组织分布均匀，晶粒更细小，扫描焊接接头抗拉强度达到551MPa，并且接头韧性较好，拥有良好的综合性能，具有较大的工程意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于厚板TiNi合金与钛合金异种材料的连接方法，属于焊接技术领域。

技术背景

TiNi合金具有超弹性、耐腐蚀性、形状记忆效应、生物相容性及良好的阻尼效应，以其优良的综合性能广泛应用于航空航天、生物医疗、核工业及家用电器等领域，是目前使用最广泛的形状记忆合金；钛合金以其高的比强度，优秀的综合力学性能，耐腐蚀性及生物相容性广泛应用于飞机制造，航天，医疗器械，汽车，造船等领域，成为现在化工业中不可或缺的一员。为了满足对多功能构件在使用过程表现出多种功能的需求，异种材料的连接成了现代化工业发展的一种趋势；钛合金与TiNi合金的连接能分别发挥出这两种材料的性能，使复合构件具有良好的综合性能。

由于Ti的化学性质特别活泼，在250-600℃之间会依次吸收H，O，N对焊接接头产生脆化作用；钛合金与NiNi合金直接焊接极易产生Ti₂Ni等脆性金属间化合物，使焊接接头极易产生开裂，而且TiNi合金与钛合金线性膨胀系数差异较大，二者的作用使接头产生大量焊接裂纹，接头强度接近零。采用传统的焊接方法很难避免焊接裂纹的产生，即使采取措施避免了裂纹的形成，但焊接接头仍然存在较多的脆性金属间化合物，使接头脆化严重，接头综合力学性能较差。

真空电子束焊以其能量密度高，穿透力强，真空环境，控制精密，对焊件变形量小等特点尤其适用于冶金过程易受空气影响的较厚贵重金属的焊接，此外，电子束的扫描焊接能减少偏析，细化晶粒，提高接头综合性能。焊接冶金过程中Nb与Ti能形成无限固溶体，与TiNi合金能形成低熔点共晶相，均能避免脆性金属间化合物的产生，TiNi合金与钛合金焊接添加Nb为填充金属控制Ti₂Ni等脆性金属间化合物的产生，降低裂纹敏感性，达到消除焊接裂纹的目的。

因此考虑到真空电子束焊的优点和Nb的特点，采用真空电子束焊接方法，添加高熔点Nb为填充金属，电子束流偏向钛合金一侧的方法，使导热性较差的钛合金与Nb在电子束作用下熔化，Nb的高导热性将热量传输到TiNi合金一侧并在低于TiNi合金的熔点形成焊接接头，未熔化Nb起到物理阻隔作用，阻碍钛合金与TiNi结合，从而实现防止了接头焊接裂纹产生的同时阻止了金属间化合物的产生，扫描电子束对熔池的搅动作用使熔池金属均匀分布，减少偏析，大幅度提高焊接接头强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于对厚板NiTi合金与钛合金接头裂纹的防止，对接头中脆性金属间化合物的防止和提高接头强度的问题，提供一种添加Nb为填充金属，电子束流偏向TC4一侧的真空电子束焊接方法，钛合金与Nb在钛合金一侧熔化形成接头，TiNi合金侧由于Nb的高导热性和TiNi-Nb形成低熔点共晶的特点，从而实现TiNi合金与钛合金的连接。

一种用于厚板TiNi合金与钛合金异种材料的连接方法，其特征在于，至少包括以下几个步骤：

（1）将TiNi合金浸入体积比为1:3:5的氢氟酸、硝酸、水溶液中酸洗，去除表面氧化膜，用丙酮清洗干净；

（2）将钛合金和TiNi合金被连接端面用砂纸打磨平整，然后用丙酮清洗干净，吹干待用；

（3）用线切割将Nb板切割成一定厚度的Nb条，用砂纸均匀打磨平整，将Nb条置于TiNi合金与钛合金中间，用夹具固定，使Nb条，钛合金，TiNi合金表面在同一水平高度；

（4）将固定的焊材两端与夹板胶接再次固定，一起放入电子束焊设备的真空室中，抽真空至正常使用范围，将电子束流偏向钛合金进行焊接。

在步骤（1）中TiNi合金与TC4的打磨需将4块板材胶接至厚度为12mm，对板材由上向下施加均匀压力并使板长方向垂直摩擦方向以均匀速度打磨。

在步骤（1）和（2）中被连接材料分别为TiNi合金，钛镍原子比为50.4:49.6，厚度为3mm，熔点为1310℃，热导率18.0>-1K^-1；TC4钛合金，厚度为3mm，熔点为1668℃，热导率6.5>-1K^-1。

在步骤（3）中填充金属为纯度99.9%的Nb条，熔点在2460-2470℃之间，热导率53W·m^-1K^-1，厚度为400-600μm。

在步骤（4）中焊接方法为电子束焊，电子束流偏向TC4侧距离为0.3mm；无扫描焊时用3mA电子束流进行焊前预热；扫描焊时采用圆形扫描波形，扫描幅度0.25mm，扫描频率500Hz；真空室工作距离285-290CM，焊接速度600-900 mm/min，电子束流16-30 mA。

本发明真空电子束焊能量密度高，深宽比大，扫描电子束焊使接头组织均匀化，晶粒细化。添加Nb为填充金属，Nb熔点较高，由于Nb能分别与钛合金形成无限固溶体，与TiNi合金形成低熔点共晶体，在钛合金一侧电子束将钛合金与Nb熔化，Nb的导热作用和TiNi合金可在低于TiNi凝固温度条件下形成低熔点共晶从而达到连接效果。

本发明的主要优点在于：结合了电子束焊接，焊前预热，扫描焊接，添加填充金属，电子束偏移的优点焊接异种厚板TiNi合金和钛合金。防止TiNi合金与钛合金接头裂纹产生，获得无焊接裂纹的接头，避免了脆性金属间化合物的形成，同时大大提高了接头的综合性能，具有较大的工程意义。

附图说明

图1为本发明焊接示意图。

图2为本发明焊接过程电子束流偏移示意图。

图3为本发明接头形貌示意图。

图4为扫描焊接后接头形貌。

图中1为钛合金板、2为钛镍合金板、3Nb填充金属、4为焊接方向、5电子束流。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例进一步说明：

实施例1

本发明提供一种用于厚板TiNi合金与钛合金异种材料的连接方法，如图1-3为主要过程图；实验采用TiNi形状记忆合金（钛镍原子比为50.4：49.6）与TC4钛合金，TC4尺寸为100×70×3mm，TiNi合金尺寸为100×70×3.05mm，填充金属为纯度99.9%的铌片，厚度为0.4mm，若厚度太薄Nb会熔化失去物理阻隔作用，使被焊异种材料相互接触生成脆性金属间化合物，若太厚则难以使TiNi合金一侧与Nb充分冶金反应导致接头强度降低，如图1；真空室工作距离290CM，焊接速度600 mm/min，电子束流18mA，焊前用3mA电子束流打在工件上预热4道次。首先将TiNi合金放入体积比为1:3:5的氢氟酸，硝酸，水的混合溶液中酸洗除去表面氧化膜至3.0mm，误差范围为50μm，用丙酮清洗，将连接端面用砂纸均匀打磨平整，再用丙酮擦洗干净，吹干待用；将Nb条置于TiNi合金与钛合金中间，用夹具固定，使Nb条，钛合金，TiNi合金的上表面在同一水平高度；将固定的焊材两端与夹板胶接固定，再一起放入真空腔中，抽真空至正常使用范围，将电子束流偏向钛合金0.3mm进行焊接，如图2。采用本发明方法添加Nb为填充金属，在真空电子束扫描焊条件下能形成无裂纹，无脆性金属间化合物的焊接接头如图3，接头抗拉强度达498MPa。

实施例2

本发明提供一种用于厚板TiNi合金与钛合金异种材料的连接方法，如图1-2、4为主要过程图；试验采用TiNi形状记忆合金（钛镍原子比为50.4：49.6）与TC4钛合金，TC4尺寸为100×70×3mm，TiNi合金尺寸为100×70×3.05mm，填充金属为纯度99.9%的铌片，厚度为0.6mm，若厚度太薄Nb会熔化失去物理阻隔作用，使被焊异种材料相互接触生成脆性金属间化合物，若太厚则难以使TiNi合金一侧与Nb充分冶金反应导致接头强度降低，如图1；真空室工作距离290CM，焊接速度600 mm/min，扫描波形为圆形，扫描频率500Hz，扫描幅度0.25mm，电子束流22 mA。首先将TiNi合金放入体积比为1:3:5的氢氟酸，硝酸，水的混合溶液中酸洗除去表面氧化膜至3.0mm，误差范围为50μm，用丙酮清洗，将连接端面用砂纸均匀打磨平整，再用丙酮擦洗干净，吹干待用；将Nb条置于TiNi合金与钛合金中间，用夹具固定，使Nb条，钛合金，TiNi合金的上表面在同一水平高度；将固定的焊材两端与夹板胶接固定，再一起放入真空腔中，抽真空至正常使用范围，将电子束流偏向钛合金0.3mm进行焊接，如图2。采用本发明方法添加Nb为填充金属，在真空电子束扫描焊条件下能形成无裂纹，无脆性金属间化合物的焊接接头，如图4，焊接接头具有较好的综合力学性能，抗拉强度达551MPa。

上述实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。在上述说明的基础上还可以根据不同厚度的板材、Nb的厚度、电子束流偏移距离和电子束参数范围等做出不同形式的变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。因此，本说明书是说明性的而非限制性的。