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钛合金/不锈钢连接界面的元素扩散研究现状

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11   来源:/山东大学材料液固结构演变及加工教育部重点实验室   作者:刘 坤 李亚江 王 娟
钛合金与不锈钢的异质金属结构具有广阔的应用前景,实现两者之间的可靠连接越来越引起人们的关注。其中,钛合金与不锈钢连接界面处的金属间化合物易造成裂纹萌生,故连接过程中的界面扩散问题是两者连接的关键所在。本文综述了钛合金和不锈钢连接过程存在的问题及界面扩散的国内外研究进展,并对将来钛合金与不锈钢的连接研究进行了展望。
1    前    言
        钛合金作为20世纪50年代新兴发展起来的重要金属,具有低密度、高比强度、导热性能好、耐高温及低温韧性好、生物相容性好等优点[1],因此,钛及钛合金被广泛应用于航空航天、国防、核能、船舶、电子、石油化工、地质、医疗器械等工业部门[2]。但由于钛合金的弹性模量低、抗蠕变性能差,单一的钛合金在许多情况下难以满足实际使用性能要求,同时钛的价格昂贵,从而影响了钛及钛合金在工业中的推广应用。不锈钢作为常用结构材料,具有一系列优良的性能,如机械性能、焊接性、热稳定性等,且成本相对较低。然而钢铁的耐蚀性能远不如钛合金,且钢的密度较大,限制了其应用范围。

        而在某些情况下,需要兼备钛合金与不锈钢优良特性的异种材料连接件,便于发挥异种材料的特性潜质。比如发电厂汽轮机的最后一级叶片所用的材料就是钛合金,其不仅要求良好的耐腐蚀性,还要有较高的强度。而钛合金比强度高,叶片就能够做的更大,而汽轮机承受大载荷的构件一般又都是由钢制造的。在海底油田开发中,很多工作都是在含硫以及盐水酸性腐蚀环境中进行的,也需要用到钛钢复合结构的工件。还有卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件、电极、电解槽、电镀设备零件、反应塔、强酸强碱容器、高尔夫球杆及医疗设备零件等。

        钛合金和不锈钢的复合构件已在能源动力、石油工程、航空航天等领域展现出独有的性能优势,这种复合构件同时具有钛合金和不锈钢的优点,同时又可以充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势[3]。然而两者之间的连接一直是人们所关注的问题,也成为制约其推广应用的瓶颈技术之一。钛合金与不锈钢异质材料之间的连接,势必涉及界面扩散问题,也有学者也认为界面是影响整个接头性能和质量的关键部位,界面处金属间化合物的生成和控制成为研究的热点问题之一[4]。因此,开展钛合金与不锈钢连接中界面扩散研究,具有广阔的应用前景和深远意义。
 



 
2    钛合金与不锈钢的焊接性
2.1    物理性能差异的影响
        钛合金与不锈钢二者在物理性能方面存在以下几点差异:首先,钛合金的主要成分钛和不锈钢的主要成分铁都属于高熔点材料,如果采用熔化焊接的方法进行二者的连接则加热温度很高,在焊接加热和冷却的过程中会产生很大的焊接应力。并且钛合金的熔点比不锈钢高,在焊接过程中熔点低的材料达到熔化状态时,熔点高的材料仍呈固体状态,这时已经熔化的材料容易渗入过热区的晶界,会造成低熔点材料的流失、合金元素烧损或蒸发,使焊接接头难以焊合;其次,钛合金的线膨胀系数大约是不锈钢的2倍,而线膨胀系数不同的异种材料的焊缝,结晶时就会产生很大的焊接应力,会导致产生很大的焊接变形。由于焊缝两侧材料承受的应力状态不同,容易导致焊缝及热影响区产生裂纹。以18-8不锈钢和TA15钛合金为例,表1给出了两者之间的物理性能差异。

2.2    化学性能差异的影响
        不锈钢中主要合金元素是铁,不锈钢与钛易形成金属间化合物TiFe和TiFe2,不锈钢中的碳、铬、镍等其它元素在较高温度下也可与钛形成TiNi5、TiNi2、TiCr2等多元复合脆性金属间化合物,使焊缝进一步脆化,进一步降低接头性能。钛在温度为1155K时发生相变,高温时以体心立方晶格β-Ti型式存在,温度较低时为密排立方晶格的α-Ti。铁在α-Ti中的固溶度很小(见图1),室温下仅为0.05%~0.1%,在共析温度下不超过0.5%。铁是β-Ti稳定元素,在β-Ti中的固溶度比在α-Ti中的大,在共晶温度1355K时,铁在β-Ti中的固溶度达到最大值25%。在β-Ti中固溶了铁之后,可以使其相变点温度降低,当β-Ti中铁含量达到一定值时,β-Ti将会被保留至室温,随着β-Ti中铁含量的进一步增高,在冷却过程中,将会造成铁在钛中的过饱和,进而超过其在钛中的固溶度而形成金属间化合物。同时钛是强碳化物形成元素,易与钢中的碳元素形成脆性的TiC,导致焊缝脆性增大,容易产生裂纹。

        钛具有较强的吸收气体的特性,在高温下对氧、氮、氢有较高的化学亲和力,易形成脆性化合物,使强度显著提高,而塑性和韧性急剧下降,显著地增加脆性断裂倾向及裂纹形成。氧化产物也会显著降低焊缝金属的强度和塑性。钛和不锈钢在高温下易氧化,从而降低接头质量。高温下钛易于与空气中的氢、氧和氮发生反应。钛在250℃以上开始吸收氢,在400℃以上开始吸收氧,从600℃开始吸收氮。焊接材料的氧化会使得焊接区被这些气体污染而脆化,甚至产生气孔。

        在进行钛合金与不锈钢的连接时,解决上述问题的关键在于通过控制和调节界面处的元素扩散,对界面处脆性相的种类、数量、分布形态进行研究和改善,以提高接头的塑性和韧性。同时需要选用适当的焊接方法及焊接工艺参数,减小焊接应力,从而实现二者高质量的连接,获得性能优良的连接接头。
 
3    国内外研究现状
        钛合金与不锈钢的连接(固相焊、钎焊、熔焊)多以添加中间过渡层来抑制界面Ti-Fe金属间化合物的形成。中间过渡层以含有多种合金元素的填充材料为主,如Ni+Cu、V+W、V+Cu +Ni等,另外,中间过渡层还可以采用轧制钢-钛复合板的型式进行施加。中间过渡层的选用以生产条件及质量要求为依据。

3.1    钛合金/不锈钢固相焊接头的界面扩散
        目前关于钛合金与不锈钢的固相连接,研究较多的方法主要有扩散焊和热轧焊连接。
        邹茉莲等人[5]选用钝铜和纯镍作为中间层金属,探索了TC4钛合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢的真空扩散焊工艺,加入上述中间层后,TC4钛合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢进行扩散焊时,可以形成具有一定强度的接头。扩散焊试验结果见表2。

        试验中接头强度很低,接头均断裂于界面处。扩散焊的温度过低(如750℃,850℃),不能形成接头;温度过高,钛合金的晶粒将严重长大。故扩散焊温度不宜高于Ti-6Al-4V钛合金的相变温度995℃。在试验中,当稍提高扩散焊温度时,接头强度无明显改善。

        Kundu等人[6]采用Ni合金作为中间过渡合金,对钛合金与微细双相不锈钢进行真空扩散焊,对接头界面反应及性能进行了研究。不同工艺条件下的接头界面的背散射电子形貌如图2所示。在900℃保温75min和950℃保温45min的不锈钢/ 镍过渡层的界面处都出现了δ-Fe层,而在镍/钛合金界面处元素的扩散促使生成了Ni3Ti、NiTi和NiTi2等金属间化合物层,并且有不规则析出相出现在Ni3Ti金属间化合物层,析出相的尺寸随扩散温度及保温时间的增加而增大。接头的抗拉强度及剪切强度最大可分别达640MPa和478MPa (900℃保温75min)。

        李京龙等人[7]采用Ni+Nb中间合金层对钛合金与不锈钢进行扩散焊研究,接头界面处存在三层扩散区:中间层Ni与1Cr18Ni9Ti中的Fe、Cr 等元素相互扩散形成的扩散区;中间层Nb与TC4 中的Al、V元素相互扩散形成的扩散区;中间层Ni、Nb之间相互扩散形成的Ni-Nb反应区。双层Ni+Nb中间层完全阻止了母材中Fe、Ti元素的相互扩散而形成脆性的Fe-Ti金属间化合物。另外,1Cr18Ni9Ti中的Fe、Cr原子向中间层扩散的过程终止于Ni层,而TC4中Ti原子向中间层的扩散终止于Nb层,中间层Ni发生的两侧扩散导致最终被完全消耗。Ni与1Cr18Ni9Ti中的Fe、Cr等元素相互扩散形成Fe-Cr-Ni固溶体,Nb与TC4中元素相互扩散形成Nb-Ti固溶体,由于Nb为β稳定元素,可降低α β的转变温度,冷却过程中β分解成针状的α+β组织。同时,中间层Ni,Nb 元素在界面上发生扩散反应,形成了以Ni3Nb为主加少量的Ni6Nb7的混合金属间化合物区,且断裂均发生在此区域。

        盛光敏等人[3,8,9]分别采用了相变超塑性技术、钛合金表面镀镍层纳米化及施加脉动加压对钛合金与不锈钢进行扩散焊研究。

        通过优化工艺参数,采用相变超塑性扩散焊方法得到的钛合金/不锈钢接头强度达到307MPa, 而焊接时间仅为160s,可实现钛合金与不锈钢之间的高效、可靠连接。断裂在FeTi和β-Ti层之间发生,FeTi金属间化合物层是接头的最薄弱环节。其中反应层中室温下存在的β-Ti主要是由于不锈钢侧扩散来的Fe、Cr元素对β相具有稳定作用[3]。

        采用电镀的方法对钛合金表面的镍中间层进行纳米化,能有效防止钛合金中的Ti、V、Al 等元素与不锈钢中Fe、Ni、C等元素的相互扩散和迁移,很好地抑制了金属间化合物TiFe、TiFe2 及脆性相TiC的形成[8]。通过计算接头处扩散层的激活能可知,纳米镍的扩散性能比镍箔的好。

        在对TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的脉动加压扩散焊研究中,优化工艺参数为焊接温度825℃,最大脉动压力Pmax为50MPa,最小脉动压力Pmin为8MPa,脉动数N为30,脉动频率f为0.5Hz,接头的最大抗拉强度为321MPa, 且有效焊接时间仅为180s。不同工艺参数下接头连接界面形貌如图3所示[9],有FeTi,Fe2Ti,σ相和β-Ti等物相在界面处生成。

        闫久春等人[10]进行了钛合金与不锈钢采用铌中间层的真空热轧连接研究,采用铌中间层能够明显提高接头的塑性。当压缩率为25%,轧制速度为38mm/s,热轧温度为800℃和900℃时,不锈钢与铌的连接界面没有明显的金属间化合物层;当热轧温度为1000℃和1050℃时,不锈钢与铌连接界面形成Fe−Nb金属间化合物层,并且当热轧温度为1050℃时在金属间化合物层与不锈钢之间出现开裂。铌与钛合金连接界面的扩散层厚度随着热轧温度的升高而增大。热轧温度为900℃的连接接头的拉伸强度可达417.5MPa。拉伸试样断裂于铌中间层,断口呈塑性断裂特征。

        赵东升等人[11]采用铜(纯铜及含稀土元素钇的铜)+铌的复合中间层进行了钛合金与不锈钢板的真空热轧焊接研究,在采取的工艺条件下连接界面结合良好,无未焊合或开裂处;焊后未生成金属间化合物,在铌-钛合金界面处存在一厚度约为2.5μm的过渡层,而铜-不锈钢、铌-铜界面的过渡层厚度约为1.9μm;焊后铜晶界处产生了空洞,断口形貌显示出现了沿晶开裂的现象;稀土元素的加入可以细化铜的晶粒,在相同的焊接工艺参数时,含有稀土元素Y的铜层中未形成空洞,随着钇在铜中的质量百分含量由0.0l%增加到0.02%,细化晶粒的效果更加显著,与采用纯铜作为中间层材料时的抗拉强度(326.9 MPa)相比,分别提高了51MPa(铜中含钇0.01%,质量分数)和61.7 MPa(铜中含钇0.02%, 质量分数)。

3.2    钛合金/不锈钢钎焊接头的界面扩散
        熊华平等人[2]采用用AgCu-1.8Ti和AgCu-4.4Ti 两种钎料对Nb与0Crl7Ni4Cu4Nb不锈钢进行润湿性研究,并钎焊Nb与0Crl7Ni4Cu4Nb接头,利用氩弧焊将TC4与Nb预先焊好后,再用两种钎料钎焊Nb和不锈钢。在Ag中加入Cu可以大大改善钎料的润湿性。Ti与Fe之间形成比较复杂的化合物相,其对润湿性的改善效果要小于Cu。虽然AgCu-4.4Ti钎料中Ti含量比AgCu-1.8Ti中Ti含量高,但后者Cu含量远高于前者,相对于Cu对钎料润湿性的影响,Ti的影响小得多。Nb和Cr均很少向钎缝中扩散,由于在钎焊过程中,高Ti 钎料中熔化的Ti与Fe和Cu反应生成大量的Ti-Fe -Cu相,从而消耗了钎料中原有的Cu;而在低Ti 钎料接头中由于Ti含量较少,没有很多这种相生成,因而在凝固过程中生成大量的富Cu相。高Ti钎料接头的Fe含量较多,这证明钎料中Ti含量增加,不锈钢母材中的Fe向钎缝中扩散的数量也增多。TC4与Nb氩弧焊焊接接头均断于Nb与不锈钢界面。对于Nb与不锈钢侧,低Ti钎料的接头强度明显好于高Ti接头,平均值达到222.2MPa,而高Ti钎料接头仅有133.8MPa。

        Wang等人[12]采用BNi-2填充金属对钛基合金金属基陶瓷和17-4PH不锈钢进行钎焊,研究了钎焊温度对钎焊接头组织和结合强度的影响。钎焊接头中阻熔剂的分布受钎焊温度影响,钎缝中脆性相的数量随温度的升高而降低,在1150℃时,B和Si元素在钎缝中均匀分布,如图4和图5所示。在1150℃时,接头的剪切强度最大为690MPa。

        通过添加中间过渡合金,利用能量集中的高能束热源对钛合金与不锈钢进行钎焊连接也越来越引起研究学者的关注。Wang等人[13]指出,钛合金与不锈钢的直接电子束焊接容易出现由热应力引起的裂纹,选用铜合金作为中间过渡材料进行填充可获得无裂纹的钢/钛钎焊接头。钎缝主要由较软的铜固溶体以及少量弥散分布的Ti-Fe金属间化合物组成,由于铜阻止了Ti与Fe之间的相互扩散,故生成的Ti-Fe金属间化合物的种类和数量都比较少。

3.3    钛合金/不锈钢熔焊接头的界面扩散
        钛合金与不锈钢之间的熔焊须保证低热输入或采用高能束热源进行连接,目前研究学者主要采用钨极氩弧焊(TIG)和激光焊对钛合金与不锈钢进行连接。

        张瑾瑛等人[14]分别采用Cu、CuNi合金、Nb 作为填充材料进行钛合金与不锈钢的TIG焊接,难以有效避免脆性金属间化合物的生成,其中采用CuNi合金作填充材料,焊缝组织比较复杂,接头拉伸强度最大可以达到125MPa。使用单一填充金属焊接TC4与1Cr18Ni9Ti时,难以有效避免脆性金属间化合物的生成。采用过渡层法焊接钛合金与不锈钢,可以有效地阻止Ti-Fe、Ti -Cu和Fe-Nb之间的相互扩散,避免了焊缝中金属间化合物的大量生成,焊接接头的力学性能得到提高。当接头型式为TC4-Nb-Cu-Cu-SS时, 焊缝中无裂纹产生,焊缝组织分布比较均匀,焊接接头拉伸强度值最大可达到210MPa,接头断裂于铌与铜界面处,断口呈混合性断裂特征,该界面处的Ti、Fe原子百分含量都已控制在1at.% 以下。

        Tomashchuk等人[15]通过添加V过渡层进行316L 不锈钢与Ti6Al4V钛合金间的连续激光焊接。在快速冷却过程中,Fe和V之间并没有σ相生成,然而具有σ相成分的区域裂纹敏感性较高,所以最优的方式是控制Fe与V熔化区的V含量低于σ相形成的成分。
 






 
4    结束语
        对于钛合金与不锈钢异质金属的连接研究已取得部分成果,揭示了各种连接方法中所涉及的界面扩散规律,但界面处的脆性金属间化合物依然是实现两者连接的困难之处,界面扩散理论基础较为薄弱,且很难实际应用在生产实践中。通过研究界面元素的扩散规律,控制界面金属间化合物的数量、尺寸和分布,改善界面结合机制,提高接头强度,同时工艺的不断改进和新方法的应用,也将为实现钛合金与不锈钢的可靠连接提供新思路和新方向。
 
 
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