[發明專利]TC4鈦合金與316L不銹鋼的異種金屬真空擴散焊接方法

在審

• 申請號: 202010158727.8
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111299796A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 蔣小松;張亞麗;孫大明;譚文悅;高奇;莫德鋒;李雪
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B23K20/00
• 分類號: B23K20/00;B23K20/227;B23K20/24;B23K103/24
• 代理公司: 北京市領專知識產權代理有限公司 11590
• 代理人: 張玲

本發明公開了一種TC4鈦合金與316L不銹鋼的異種金屬真空擴散焊接方法，屬于金屬材料焊接技術領域，其步驟包括試樣表面清理、試樣放置和擴散焊接，其中，試樣包括待焊接件TC4鈦合金和316L不銹鋼，還包括中間夾層釩箔、銅箔和鈷箔，擴散焊接時，優選采用兩次保溫保壓；本發明通過調整擴散焊接溫度、時間和壓力等參數以及夾層厚度、夾層種類和數量，可在焊縫處形成過渡固溶體，從而阻止鈦、鐵元素相互擴散，避免脆性鈦鐵金屬間化合物的形成。該方法所得焊接接頭具有抗拉伸強度高，延展性好，無孔隙及裂紋等優點。

技術領域

本發明涉及金屬材料焊接技術領域，尤其涉及一種TC4鈦合金與316L不 銹鋼的異種金屬真空擴散焊接方法。

背景技術

316L不銹鋼是一種具有較低的腐蝕速率、可靠的高強和低成本的結構材料， 耐腐蝕性能好且低溫性能、加工性能和焊接性能優異，常被應用于工業制造。 鈦和鈦合金由于其高強韌性、高的熔點、極好的腐蝕性能和低密度等優異性能， 其廣泛應用于在航空航天、石油化工、交通運輸等領域。

當衛星進行探測工作時，紅外焦平面探測器是主要設備，微型杜瓦是紅外 焦平面探測器的封裝和保護裝置，其在低溫工作時提供良好的光、機、電和熱 傳輸通道。為了使微型金屬杜瓦具有較低的寄生熱負載和長的真空壽命,其主 體材料有不銹鋼與鈦合金。但是，鈦合金和不銹鋼之間的焊接卻存在較多的問 題，主要是因為不同金屬材料在物理與化學性能上的差異(如膨脹系數、比熱 容、熱導率、熔點、化學成分等的差異)會導致焊接接頭形成較大的殘余應力。 而且，鈦合金中的Ti元素與不銹鋼中的Fe、Cr和Ni元素極易形成大量TiCrFe、 TiFe、TiFe₂等金屬脆性相，導致焊件在焊接應力作用下斷裂。

如何解決鈦合金和不銹鋼之間的焊接問題成了提升低溫金屬封裝材料使 用性能和穩定性能的技術難點，如果能夠解決兩者之間的結合困難問題，優化 其結合性能，那么就可以使相關設備、元器件的穩定性、精確度等得到提高， 使之達到更加優秀的水平。

中國發明專利申請CN102728937A公開了一種鈦合金與奧氏體不銹鋼異種 金屬的焊接方法，該焊接方法為以下步驟：將打磨好后的鈦合金和不銹鋼裝配 好，然后進行施焊，在施焊前將溫度加熱至350℃以上。同時，在氬氣的保護 下對鈦合金和不銹鋼進行脈沖鎢極氬弧焊。但是，其焊縫殘余應力較高，有脆 性金屬化合物大量存在，不利于獲得性能穩定的焊接接頭。

2015年，在稀有金屬材料與工程上發表了一篇名為《使用銅夾層的鈦和不 銹鋼的脈沖擴散焊》文獻，結果發現由于Ti原子和Cu原子的互擴散，在鈦合 金側形成了低脆性的金屬間化合物，例如Ti₂Cu，TiCu，Ti₂Cu₃和Cu₄Ti。在不 銹鋼一側，未發現金屬間化合物，而產生了具有良好延展性的固溶體。但是， 由于焊縫中仍然存在脆性的金屬間化合物，所以接頭的性能仍然需要提高。

真空擴散焊接是指將工件在高溫下加壓，但不產生可見變形和相對移動的 固態焊方法。真空擴散焊接特別適合異種金屬材料、耐熱合金和陶瓷、金屬間 化合物、復合材料等新材料的接合，尤其是對熔焊方法難以焊接的材料，真空 擴散焊接具有明顯的優勢，日益引起人們的重視。真空擴散焊接是在高溫、高 壓和擴散時間下，使得同種或異種材料的表面通過接觸面發生塑性變形，隨后 在高溫下發生原子的擴散，使得材料連接在一起。

但是，如何采用擴散焊接方法焊接鈦合金和不銹鋼，使其焊縫性能提高， 還有待進一步研究。