纯钛及Ti-6Al-4V合金及其与304不锈钢及Inconel镍基合金的连接研究

发布时间：2019-11-22 16:20

【摘要】：钛合金具有高比强度和优良的耐腐蚀性能,是航空航天,化工制造等领域首选的结构材料。但是,由于钛合金高昂的制备和加工成本,其应用范围大大受限。开发钛合金新型低成本连接成形技术,减少加工过程中材料浪费;以及将钛合金与异种材料连接,制备复合构件,减少钛合金用量,是充分开发钛合金性能优势,控制钛合金应用成本的有效手段。本文针对钛合金钎焊过程中钎料制备困难问题,开发了采用纯Ni,纯Cu及Cu-Ti-Cu复合填料的钛合金低成本瞬时液相(TLP)连接工艺。同时,为解决钛/异种金属连接时界面脆性金属间化合物恶化接头力学性能问题,设计了基于Nb中间层的钛合金/异种金属部分瞬时液相(PTLP)连接工艺,通过钎料/中间层设计实现了钛/异种金属接头组织的调控,改善了力学性能。为研究钛基材料在钎焊过程中接头的组织和力学性能演变规律,采用Ag-28Cu和非晶Ti-Zr-Cu-Ni钎料对纯钛(CP-Ti)进行了钎焊。结果表明,当采用Ag-28Cu在850°C钎焊CP-Ti时,钎料中的Cu优先与Ti反应,在接头界面生成Ti-Cu共析组织,Ti_2Cu,TiCu,Ti_3Cu_4,Cu_4Ti以及残余富Ag相。随着钎焊时间延长,接头中TiCu相数量明显增加,而Ti_3Cu_4和Cu_4Ti全部消失。由于TiCu层厚度明显增加,接头强度随保温时间延长而明显降低。当采用非晶Ti-Zr-Cu-Ni钎料在900°C下钎焊CP-Ti时,钎料中的Cu,Ni元素不断向基体扩散,生成Ti_2Cu,Ti_2Ni等金属间化合物,以及Ti-(Cu,Ni)共析组织。随保温时间延长,接头中Cu,Ni元素浓度不断降低,当保温60 min时接头实现充分均匀化,得到无脆性金属间化合物接头。在拉伸载荷下,充分均匀化接头的断裂发生在母材,说明接头强度超过母材。为克服非晶Ti-Zr-Cu-Ni钎料制备困难的问题,开发了采用纯Ni和纯Cu中间层的Ti-6Al-4V(Ti64)合金TLP连接工艺。在外加载荷1 MPa条件下,采用Ni中间层TLP连接Ti64时,当连接温度达到960°C,中间层可完全参与反应,生成Ti-Ni共晶液相。随着接头在930°C保温时间的延长,接头中Ni含量逐渐降低,在保温20 min时实现充分均匀化,得到力学性能与母材相当的接头。采用Cu中间层TLP连接Ti64时,在930°C即可实现Ti-Cu共晶液相对母材表面的润湿,并随即发生完全等温凝固,转变成TiCu。在均匀化过程中,由于Cu不断向基体扩散,TiCu转变成为Ti_2Cu,再转变成为含有少量Cu的β-Ti。在冷却至室温过程中,Cu以共析Ti_2Cu形式在α-Ti晶界析出,形成α-Ti+条状Ti_2Cu组成的接头。在拉伸试验中,接头断裂发生在母材,说明接头力学性能优于母材。为了克服采用纯Ni,纯Cu中间层TLP连接时需要外加载荷问题,设计了预压连接Cu-Ti-Cu复合中间层,并在无载荷条件下对Ti64进行了TLP连接。结果表明,当连接温度达到930°C,复合中间层可以在无外加载荷条件下实现完全熔化,并充分润湿母材表面。采用Cu-Ti-Cu复合中间层TLP连接Ti-6Al-4V接头均匀化过程中接头组织和力学性能演变规律与采用纯Cu中间层时一致,但由于中间层完全熔化导致的对母材更为显著的溶蚀,其均匀化进程快于采用纯Cu中间层。采用Nb/Cu复合中间层对Ti64和304不锈钢(SS)进行了扩散连接研究。结果表明,Nb/Cu复合中间层可以有效避免界面金属间化合物的生成,在Ti/Nb和Cu/SS界面分别生成Ti-Nb和Fe-Cu固溶体。在Nb/Cu界面,采用消耗性Ti中间层可以有效克服Nb-Cu体系的不互溶性,促进Nb/Cu间的冶金连接。在Nb-Ti-Cu界面,Ti同时与Nb和Cu反应,生成(Nb,Ti)固溶体和一系列Ti-Cu金属间化合物。随着保温时间的延长,Nb/Cu间的Ti不断稀释,直至其不足以形成稳定的化合物,从而得到Nb-Cu-Ti三元固溶体组成的Nb/Cu界面。最终,在850°C,保温60 min条件下得到由(Ti,Nb)固溶体/Nb/Nb-Cu-Ti固溶体/Cu/(Fe,Cu)固溶体组成的Ti64/304 SS接头。在拉伸试验中,接头沿Cu中间层发生韧断,接头强度达到540MPa,说明接头脆性被完全消除。还研究了温度对Nb-Ti-Cu界面组织的影响。当温度超过Ti-Cu共晶点875°C时,在Nb-Ti-Cu界面产生共晶液相,并快速等温凝固形成颗粒状TiCuNb相和Cu_4Ti相。此时Nb-Ti-Cu界面实为TLP连接,由于固液界面元素扩散的增强,接头均匀化明显加快。受Ti-Cu共晶点以上Nb-Ti-Cu界面组织演变所启发,开发了针对Ti64/Cu异种材料连接的PTLP连接技术。即以Nb为核心难熔中间层,通过预压连接制备Cu/Ti/Nb/Ti/Cu中间层。在910°C下,Nb两侧Cu/Ti层发生共晶反应,分别润湿Ti64和Cu母材。当保温时间延长至60 min,接头充分均匀化,在Ti64/Nb界面,Cu逐渐稀释,得到Ti-Cu共析组织;在Nb/Cu界面,Ti充分稀释,得到Nb-Cu-Ti三元固溶体。拉伸实验结果表明,充分均匀化接头断裂发生在Cu母材,说明Ti-Nb界面的共析组织没有对接头强度产生不利影响,接头力学性能优于Cu母材。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料/Nb中间层/AgCuTi活性钎料组合PTLP连接CP-Ti和Inconel 625合金时,随着保温时间的延长,在Ti/Nb界面,Ti基钎料中的Cu,Ni元素被充分稀释,得到(Ti,Nb)固溶体;在Nb/AgCuTi界面,钎料中的Ti与Nb反应,实现冶金连接;在AgCu Ti/Inconel 625界面,生成(Cu,Ni)固溶体。在充分均匀化情况下,接头强度超过CP-Ti母材强度。
【图文】：

硝酸,腐蚀速率,金属材料,耐腐蚀性能

1 绪论1 绪论优越的综合性能，如极佳的耐腐蚀性能和航空航天、核能发电和化工制造等领域的硝酸中未经合金化的工业纯钛 (CP-T优良的耐腐蚀性能[2, 3]。就力学性能而言的合金化和合理的热处理，能够显著改000 MPa[4]。正是由于钛合金所具有的低于其他常规的金属结构材料，如图 1.2 和

比强度,金属材料,钛原料,复杂材料

合金的冶炼过程，钛原料的制备过程要复杂材料。工成本，在高温下容易与空气中的 O、N 等元素金的加工、热处理等工序中，对加工条件均热容较大、传热系数小，在机械加工时容易件容易粘刀，甚至与刀具发生反应，导致刀高昂造价，在机加工过程中产生的大量钛废用成本温 (600 °C) 下仍具有显著的比强度优势，钛合金基体扩散，，形成间隙原子，大大降低合磨性较差，在服役过程中往往容易因磨损、服役寿命。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG457.1

【参考文献】