鈦合金和鋼等異種金屬的焊接問題

鈦合金因具有比強(qiáng)度和熱導(dǎo)率高、耐腐蝕性和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)中。由于異種金屬連接的特殊性，常用方法有擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、熔釬焊、激光焊、冷壓焊等特種連接技術(shù)。研究鈦合金和異種金屬的焊接是充分發(fā)揮鈦合金的優(yōu)異性能和擴(kuò)展其應(yīng)用范圍的有效途徑。

鈦合金/鋼異種焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅具有鈦合金高的比強(qiáng)度和良好的抗腐蝕性能，還兼容了鋼材料應(yīng)用范圍廣、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。但由于鈦合金和鋼的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)的差異性太大，且互溶性又較差，焊接時(shí)容易生成脆硬性的Ti-Fe金屬間化合物，致使鈦合金/鋼的異種焊接困難。為了解決這些問題，研究者對(duì)有關(guān)鈦合金/鋼異種金屬的擴(kuò)散焊、釬焊、爆炸焊等焊接技術(shù)進(jìn)行了深入研究和分析。

Ti6Al2Zr2Mo2V鈦合金和304奧氏體不銹鋼進(jìn)行了電子束焊接，采用的填充材料為V/Cu基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)表明單一的填料不能有效的抑制Ti Fe金屬間化合物的生成，只有兩種或者兩種以上的填料才能達(dá)到抑制效果。力航鈦業(yè)分別使用了Ti+Zr基40Ti-20Zr-20Cu-20Ni釬料、銀基Ag-6Pd釬料、鎳基 BNi2和BNi7釬料對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金和STS304不銹鋼進(jìn)行了釬焊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，Ni基填充材料中的Ni可以有效地起到穩(wěn)定元素的作用，從而降低β相的轉(zhuǎn)變溫度。對(duì)于Ag基填充材料來說雖然加入其他材料可以提高焊接接頭的強(qiáng)度，但由于Ag和Ti的親和性較差不能有效地提高填充材料的擴(kuò)散。潤(rùn)濕角和進(jìn)入鋼側(cè)母材擴(kuò)散原子數(shù)BNi7≥BNi2>40>Ag-5Pd。對(duì)鈦與20鋼爆炸焊接結(jié)合區(qū)的顯微組織進(jìn)行了分析，在焊接界面處的鋼側(cè)和鈦側(cè)母材內(nèi)都含有高密度位錯(cuò)，其中，鋼側(cè)面出現(xiàn)了等軸細(xì)晶及變形拉長(zhǎng)的晶粒區(qū)。結(jié)合區(qū)內(nèi)可以觀察到相互熔合的復(fù)合界面，說明爆炸產(chǎn)生的高能量使界面金屬熔化，液體金屬的噴射與急冷使結(jié)合區(qū)內(nèi)出現(xiàn)微晶、微孿晶及鈦的亞穩(wěn)相。用純Ag作為填充材料對(duì)工業(yè)純鈦和304不銹鋼進(jìn)行壓力擴(kuò)散焊，實(shí)驗(yàn)表明Ag可以有效地抑制脆性金屬間化合物Ti-Fe的形成，而Ag形成的金屬間化合物承載能力較強(qiáng)，從而提高焊接接頭的強(qiáng)度。

異種金屬焊接是指將兩種不同種類和性能的金屬材料通過特定的焊接工藝連接在一起并形成具有完整性和預(yù)期使用性能的結(jié)構(gòu)件。鈦合金和異種金屬的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)存在較大差異，在焊接過程中容易形成脆性的金屬間化合物，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度變差。因此在焊接過程中加入適當(dāng)?shù)闹虚g過渡金屬、選擇合適的焊接工藝和焊接方法對(duì)改善焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能是十分必要的。