TA2与0Cr18Ni9薄板的储能焊研究

发布时间：2020-07-27 11:28

【摘要】：钛/钢复合结构结合了钛的耐蚀性和钢的优良力学性能,在船舶、电力、石油化工和航空航天等行业应用广泛。但钛和钢的物理、化学性能差异较大,焊接区极易形成多种脆性金属间化合物,而致开裂,接头力学性能低劣。本文应用储能焊技术对TA2与0Cr18Ni9薄板实施快速凝固连接,旨在抑制脆性金属间化合物,提高接头性能。并通过添加Ti-Fe-Ni-Cr-Co、Ti-Fe-Ni-Cr-Cu、Ti-Fe-Ni-Cr-Co-V、Ti-Fe-Ni-Cr-Co-Cu四种中间层,研究了熔核金属高熵化特性及其对接头组织和性能的影响。研究结果表明:TA2/OCr18Ni9薄板直接储能焊的熔核横截面整体呈枣核状。钛侧熔核主要为细密柱状晶+等轴晶组织,其内部发现多条裂纹,最长达100μm。结合界面近钛侧形成TiFe化合物层,厚度约为30μm;结合界面处形成厚度约为5～8μm的对向生长组织,主要为TiFe、TiFe2脆性金属间化合物,其上有多条垂直于钛/钢结合界面裂纹;钢侧熔核为柱状晶+等轴晶组织,熔合区约为12～18μm。在储能焊充电电容500μF,电压950V,电极压力40N条件下,接头平均剪切强度为178MPa。基于熔核金属高熵合金化技术思路,应用固溶体判据、热力学第一性原理和密度泛函理论计算得到塑韧性能较优的四种合金分别为Ti20Fe25Ni25Cr20Co10、Ti20Fe25Ni25Cr10Cu20、Ti20Fe25Ni25Cr10Co10V10和Ti20Fe25Ni25Cr10Co15Cu5,以此折算的四种中间层合金依次为Fe2Ni51Cr23Co24、Ni46Cr3Cu51、Fe2Ni51Cr4Co25V18和Fe1Ni48Cr3Co34Cu13。基于熔核高熵化,使用中间层合金的TA2/0Cr18Ni9储能焊接头,有效抑制了脆性金属间化合物形成,并形成简单固溶体,力学性能明显提升。近钛侧形成TiFe、TiFe2等脆性金属间化合物层,厚度约为10～15μm,其宽度远小于无中间层储能焊接头。在储能焊电极压力为45N,电压为1050V,电容为500μF条件下,均获得了剪切强度良好的焊接接头。添加 Fe2Ni51Cr23Co24、Fe2Ni51Cr4Co25V18、Fe1Ni48Cr3Co34Cu13 三种中间层时,沿结合界面垂线方向,接头组织结构变化为:Ti(s,s)→(α-Ti+TiFe)→(FCC+BCC)(s,s)→γFe(s,s)。结合界面均形成塑性良好的简单固溶体层,缓释接头应力,减少接头裂纹的产生。由拉剪试验计算得到接头剪切强度分别为294、243、293MPa。添加Fe2Ni51Cr23Co24、Fe2Ni51-Cr4Co25V18中间层时,熔核内形成的简单固溶体层元素含量近似于设计熔核成分:Ti20Fe25Ni25Cr20Co10和 Ti20Fe25Ni25Cr10Co10V10;添加 Fe1Ni48Cr3CO34Cu13 中间层形成的简单固溶体成分与Ti20Fe25Ni25Cr10Co15Cu5差异较大。基于高熵效应,熔核内形成简单固溶体有效抑制了 TA2/OCr18Ni9薄板储能焊接头脆性金属间化合物的产生,提高了焊接质量。不同成分的固溶体对接头质量影响不同,接头中V元素含量添加,提高了钛/钢接头固溶体形成倾向,增大了 BCC相的体积分数,接头简单固溶体层的脆性增加,裂纹数量增加,接头质量下降。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG44
【图文】：

激光焊S.F.Gnyusov【18】添加 Cu 中间层对钛合金和不锈钢进行了激光焊接，结果表明：在激功率 1.5kw，脉宽 14ms，焊接速度 0.32m/min 条件下，光束向不锈钢侧偏移，得到强度 337MPa 的焊件。发现铜/钛界面处形成了 Ti-Cu 相和少量 Ti-Fe 相。在铜基体中分布着钢组成的团聚固溶体，可减小应力集中。加入铜中间层可以减少 Ti-Fe 脆性相的产生， Ti-Cu 相脆性低于 Ti-Fe 相，接头的性能得以改善。综上，对钛/钢进行直接熔化焊时，由于焊接温度高，Tm以上时间较长，导致焊缝中成层状 TiFe、TiFe2脆性金属间化合物，进而产生焊接裂纹。采用铜作为中间层时，形含 Fe-Cu-Ti 相焊缝，塑性优于 TiFe、TiFe2，但是组织分布不均匀，拉伸试验表明，在-钛结合面发生断裂；采用 Ag 作为中间层时，可形成无裂纹塑性接头，但成本过高。.3.2 钎焊钎焊是指采用比焊接母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔图 1-2 焊缝组织微观形貌【16】Fig. 1-2 Microstructure morphology of joint图 1-3 焊接接头断裂形貌【16】Fig. 1-3 Morphology of joint fracture surface

激光焊S.F.Gnyusov【18】添加 Cu 中间层对钛合金和不锈钢进行了激光焊接，结果表明：在激功率 1.5kw，脉宽 14ms，焊接速度 0.32m/min 条件下，光束向不锈钢侧偏移，得到强度 337MPa 的焊件。发现铜/钛界面处形成了 Ti-Cu 相和少量 Ti-Fe 相。在铜基体中分布着钢组成的团聚固溶体，可减小应力集中。加入铜中间层可以减少 Ti-Fe 脆性相的产生， Ti-Cu 相脆性低于 Ti-Fe 相，接头的性能得以改善。综上，对钛/钢进行直接熔化焊时，由于焊接温度高，Tm以上时间较长，导致焊缝中成层状 TiFe、TiFe2脆性金属间化合物，进而产生焊接裂纹。采用铜作为中间层时，形含 Fe-Cu-Ti 相焊缝，塑性优于 TiFe、TiFe2，但是组织分布不均匀，拉伸试验表明，在-钛结合面发生断裂；采用 Ag 作为中间层时，可形成无裂纹塑性接头，但成本过高。.3.2 钎焊钎焊是指采用比焊接母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔图 1-2 焊缝组织微观形貌【16】Fig. 1-2 Microstructure morphology of joint图 1-3 焊接接头断裂形貌【16】Fig. 1-3 Morphology of joint fracture surface

图 1-4 Ti/Ag/304 接头断口形貌【26】racture morphology observations of the Ti/Ag进行扩散焊时，可以获得强度较高的易产生 Ti Fe2、TiFe 脆性金属间化合物 中间层时，通过接头结合界面处形成了接头强度，接头断裂形式表现为头，但是成本较高【26】。产生的冲击力加速一个板，使其撞击材被广泛应用于核工业，尤其是用于进行了爆炸焊钛钢复合板的微观组织265 Grade1 (ASME)钛板 (6mm)和 St貌呈波浪状如图 1-5，通过透射电子显有较多的位错和孪晶形成，并且细晶局部熔化区出现较多的微裂纹如图

【参考文献】

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本文编号：2771787