[發(fā)明專利]一種鈦合金與不銹鋼的真空微擴散連接方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410166026.3
• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN103920987A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林鐵松;何鵬;劉貴銘
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B23K20/14
• 分類號: B23K20/14;B23K20/24;B23K20/227;B23K103/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 侯靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鈦合金與不銹鋼的連接方法。

背景技術(shù)

不銹鋼是最常用的結(jié)構(gòu)材料，具有一系列優(yōu)良的性能，如加工性能、力學(xué)性能、疲勞性能、焊接性、熱穩(wěn)定性等，且成本相對較低，在航空航天領(lǐng)域的諸多部件中得到應(yīng)用。然而，由于比重較大等原因，不銹鋼在航空航天領(lǐng)域的使用受到限制，往往需要與其他材料構(gòu)成復(fù)合構(gòu)件。

鈦是五十年代發(fā)展起來的一種重要金屬，具有比強度高、比剛度高、耐熱性、韌性好、導(dǎo)熱性能好和抗疲勞性好等優(yōu)點，航空航天、石油化工、國防、核能、船舶、電子等領(lǐng)域的重要材料，在尖端科學(xué)和高新技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。

如果將純鈦或鈦合金(以下簡稱鈦合金)與不銹鋼結(jié)合起來使用，其復(fù)合構(gòu)件既能保留不銹鋼的優(yōu)良性能，又能減輕比重，同時具有鈦合金與不銹鋼的優(yōu)點，充分發(fā)揮兩種材料在性能上的互補優(yōu)勢。在很多情況下，如核動力裝置中核燃料后處理設(shè)備中的某些零件、衛(wèi)星燃料噴注器及姿態(tài)推動控制系統(tǒng)中的部件、石油化工中的某些部件、高爾夫球桿及醫(yī)療設(shè)備零件等，都需要兼有鈦和鋼的優(yōu)良特性的異種材料復(fù)合連接件。

然而，由于物理和化學(xué)性能等方面的差異，鈦合金和不銹鋼之間的連接十分困難，各種連接方法均很難得到高強度的接頭。如公開號為CN102632324A、發(fā)明名稱為焊接異種金屬的方法的中國專利公開了一種利用電弧焊連接鈦和不銹鋼的方法，所得到的接頭拉伸強度為282MPa；如公開號為CN101722356A、發(fā)明名稱為采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，所得到的接頭拉伸強度為299MPa；如公開號為CN101284336A、發(fā)明名稱為用于鈦合金與鋼連接的氬弧焊-釬焊復(fù)合焊接方法，所得到的接頭拉伸強度為266.6MPa。以上三種方法得到的接頭的拉伸強度均僅為母材鈦強度的50％左右，無法應(yīng)用于需要高強度的場合。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決目前鈦合金與不銹鋼擴散連接過程中，由于界面處極易形成連續(xù)且高脆性的金屬間化合物，從而導(dǎo)致焊接接頭強度低、韌性差的問題，提供一種鈦合金與不銹鋼的真空微擴散連接方法。

本發(fā)明鈦合金與不銹鋼的真空微擴散連接方法，按以下步驟進行：

一、鈦合金和不銹鋼母材的加工：將不銹鋼焊接面加工成錐形面，其中錐度為30-90°，錐形面經(jīng)拋光、細磨至表面粗糙度小于0.1μm，將鈦合金焊接面加工成平面，表面粗糙度小于0.1μm；

二、鈦合金和不銹鋼母材待連接表面的處理：將步驟一中的待焊母材表面，經(jīng)體積濃度為10％-15％的HCl溶液進行腐蝕處理，腐蝕時間為5-8min，然后經(jīng)去離子水清洗3-5次，再經(jīng)無水乙醇清洗1次，然后用吹風(fēng)機烘干待用；若處理后的母材放置超過10小時，重復(fù)此步驟；

三、試樣裝配：將不銹鋼焊接面的錐尖與鈦合金焊接面的正中心接觸并垂直裝配，通過耐高溫夾具固定位置；

四、微擴散連接：將裝配好的待焊件置于真空擴散焊爐內(nèi)，在真空度為1.0×10^-3Pa-7.0×10^-3Pa的條件下，以10-30℃/min的速度，升溫到750-860℃，保溫10-60min后開始加壓，通過控制擴散連接壓力以2-10mm/min的速度使不銹鋼錐面與鈦合金完全接觸后，撤銷壓力，并同時保溫1-10min，然后以5-105℃/min的速度降至室溫；

五、對焊后件進行二次加工，即完成鈦合金與不銹鋼的真空微擴散連接。

步驟五可通過線切割、銑床等工藝對焊后件進行二次加工成特定形狀的產(chǎn)品。

本發(fā)明通過對不銹鋼和鈦合金擴散連接接頭的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面處理，精確控制界面處的塑性流動和物理接觸，并利用不銹鋼與鈦合金在接觸界面的超塑性流動和變形，通過接觸界面上激活原子的超擴散能力實現(xiàn)了二者短時間內(nèi)的原子級別的結(jié)合，控制鈦/鋼連接界面脆性金屬間化合物的生長厚度至2μm以下，從而獲得高強度與高韌性的不銹鋼與鈦合金擴散連接接頭。通過此方法獲得的連接接頭的拉伸強度可達450-620MPa，韌性可達80-120J/cm²。另外，本發(fā)明的微擴散連接方法，在較低的溫度和較短的時間內(nèi)實現(xiàn)鈦合金與不銹鋼的連接，工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高，焊接成本大幅降低。

附圖說明

圖1為實施例1中光學(xué)顯微鏡下接頭的全貌照片；圖2為實施例1中光學(xué)顯微鏡下接頭的局部照片；圖3為實施例1中掃描電子顯微鏡下接頭的局部照片及能譜線掃描分析；圖4為實施例1中室溫下彎曲實驗后的接頭實物照片。

具體實施方式