表面自纳米化技术在钛及钛合金与不锈钢扩散连接中的应用

表面自纳米化技术在钛及钛合金与不锈钢扩散连接中的应用

0钛及钛合金与不锈钢的扩散连接技术钛和钛合金密度低、比强、耐腐蚀性好、高温强度和低温适应性好、生物适应性好等优点，广泛应用于航空航天、船舶航行、武器装备、石油、汽车、电子行业、医药、原子能工业等领域。但是,由于钛的弹性模量低、抗蠕变性能差,单一的钛材在许多情况下难以满足实际使用对材料综合性能的要求;另外,价格较为昂贵也使其应用受到一定限制。如果将钛与钢铁材料结合起来使用,其复合构件同时具有钛合金与钢的优点,就能充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势,具有广阔的应用前景。因此,钛及钛合金和不锈钢的连接技术相继发展起来。由于钛及钛合金与不锈钢在物理化学性能上存在极大的差异,在焊接接头处容易形成脆性的金属间化合物,因而降低了焊接接头的性能,特别是塑性和韧性。导师:盛光敏教授目前用于异种金属连接的主要焊接方法有爆炸焊、钎焊、激光束焊、等离子焊、电子束焊和摩擦焊等,但其存在的共同问题是焊接温度过高、焊接接头变形过大、基体材料和焊缝晶粒长大、焊缝出现裂纹和结合强度低;焊接接头中出现大量的金属间化合物,使接头脆性增加,接头强度下降,尤其在钛合金与不锈钢的焊接中更为突出。扩散连接是压焊的一种,是指在相互接触的连接表面,在高温、压力作用下,局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成的可靠连接过程。扩散连接最突出的特点是能够实现物理化学性能差别较大的异种材料之间的连接,具有接头质量好、能焊合相互不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料、焊接温度低、温度梯度小和引起组织性能劣化程度小等优点。目前,根据扩散连接的发展情况,钛及钛合金与不锈钢的扩散连接主要分为直接扩散连接和间接扩散连接。以下作者分别对其研究现状进行综述。1接头最大强度目前已对钛及钛合金的直接扩散连接进行了大量研究,孙荣禄等对TC4合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行直接扩散连接时,发现在结合面形成了钛与铁、铬、镍之间的金属间化合物层,这是导致接头脆断的主要原因,接头最高强度未达到母材强度的50%。冯吉才等对TiAl/40Cr钢直接扩散连接的接头分析发现,在接头处出现了TiC、Ti3Al、FeAl和FeAl24种反应相,脆性的TiC层显著恶化了接头性能,接头均断裂于TiC层上或TiC与脱碳层之间,当脆性化合物厚度为3μm时,接头最大强度达183MPa。张英才等采用热等静压扩散连接技术连接TiAl与1Cr18Ni9Ti不锈钢,由于该方法仅从加压方式上进行了改善,对于抑制界面金属间化合物的产生及成长作用很小,接头抗拉强度在室温下的仅为31.5~207.5MPa,且均在钛合金端脆断。周荣林等对TC4钛合金和00Cr18Ni10不锈钢采用直接扩散对焊工艺时,探索出该两种异质材料直接扩散对焊的最佳工艺为连接温度为880℃,连接压力为10MPa,连接时间为30min,接头最高强度仅为74MPa。Ghosh在850℃下得到纯钛和304不锈钢直接扩散连接的强度为222MPa,断面收缩率约为5%,在接头界面处存在FeTi、Fe2Ti4O、NiTi、NiTi2等多种化合物,随着温度的升高,金属间化合物层增厚;而在850℃下,Ti-5.5Al-2.4V和304不锈钢直接扩散连接的最高强度达272MPa,断裂主要发生在FeTi和β钛之间。最近,秦斌等采用脉冲加压扩散连接技术(IPDB)对TA17钛合金和0Cr18Ni9Ti不锈钢进行了直接连接,得到的接头强度达到321MPa,连接作用时间仅为180s,对连接接头分析发现,接头处形成了γ-Fe、σ相、Fe2Ti、FeTi、β-Ti和α-Ti的层状组织,其中的金属间脆性相恶化了接头性能。从上述国内外对钛合金与不锈钢的直接扩散连接研究中可以看出,在钛合金与不锈钢的连接接头处易生成脆性金属间化合物,导致连接接头性能恶化,强度不能满足使用要求,但是该连接方法具有工艺简单、应用广泛等优点。2合成钛灰的化合物为了避免或减少钛及钛合金与不锈钢之间直接扩散连接时生成的脆性相,改善连接接头的性能,间接扩散连接相继发展起来。李小强等用30μm厚的镍箔作中间层扩散连接了TC4钛合金和00Cr18Ni10不锈钢,得到了强度为146MPa的连接接头,比直接连接的强度提高近1倍。邹茉莲认为纯铜和纯镍做中间层不能很好地阻止合金中钛向不锈钢的扩散,铜和钛产生强烈的共晶反应,各元素的扩散使接头处形成多层不同的化合物,将导致接头强度降低。孙荣禄等用镍做中间层对TC4合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢进行扩散连接,使接头强度达到352MPa,同时发现钛与镍之间有金属间化合物薄层;而用钒+铜箔作中间层进行扩散连接时,最高强度达356MPa,且断口呈韧性,这主要是因为用钒+铜箔作中间层时防止了钛与不锈钢中元素的相互扩散,避免了铁钛之间金属化合物的产生。何鹏等用钒+铜作中间层对TiAl和40Cr钢进行扩散连接时,接头强度仅为200MPa,在TiAl/V界面处生成的金属间化合物V5Al8严重恶化了接头性能;用钒+铜作中间层对纯钛和40Cr进行扩散连接时,接头强度为540MPa;而用钛+钒+铜作中间层对TiAl和40Cr钢进行扩散连接时能避免金属间化合物和其它脆性相的产生,接头强度可达420MPa。文献分别采用纳米镀镍层和加镍箔作中间层对TA17钛合金和0Cr18Ni9Ti不锈钢进行扩散连接,得到强度分别为258Pa和334MPa,对连接接头分析发现,以镍作中间层时,接头处形成了γ-Fe、σ相、Ni、Ni3Ti、NiTi、NiTi2、β-Ti、α-Ti的层状结构,避免了脆性铁-钛系列金属间化合物的形成。由上述研究可知,在钛及钛合金与不锈钢的扩散连接中,在母材之间加入合适的中间层材料时,能有效阻碍脆性金属间化合物的形成,提高连接接头的韧性和强度。3扩散连接接头的强度超塑性成形/扩散连接(SPD/DB)是将材料的超塑性成形和扩散连接结合起来的一项技术,具有节省工艺装备、缩短生产周期、改善结构性能、提高结构完整性、降低制造成本和减少构件质量等优点。周荣林等全面系统地研究了钛与不锈钢的相变超塑性扩散连接工艺,得到了钛与不锈钢相变超塑性扩散连接的接头强度达380MPa,比不加中间层的恒温恒压扩散连接接头的强度有很大的提高。Machare等在研究钛合金与不锈钢的超塑性扩散连接时,发现连接过程中伴有动态再结晶现象,导致晶粒细化,从而增加连接过程中扩散速率。文献对TA17钛合金和0Cr18Ni9Ti不锈钢采用相变超塑性扩散连接(PTSDB)进行了研究,得到的连接接头强度达到307MPa,连接所用时间为160s。综上所述,由于钛与铁、碳易形成脆性相,故钛及钛合金与不锈钢直接连接接头的韧性一般较差,接头强度低,为了提高连接接头的强韧性,就必须抑制界面金属间化合物的生成及成长,目前国内外主要从改善工艺参数和连接方法着手研究,大多采用加中间过渡层的方法。采用加中间过渡层的扩散连接方法可有效提高钛及钛合金和不锈钢连接接头的综合性能,该种连接方法已被广泛运用到异质材料的连接中,但该方法存在工作效率低、难以保证加工精度等缺点,使其应用受到限制。4表面自纳米化技术对于钛及钛合金与不锈钢的扩散连接,从彼此之间的理化性能差异和连接性能为着眼点,进一步优化连接工艺,降低连接温度,避免或减少脆性金属间化合物产生,改善连接接头的综合性能仍是今后研究的方向。近年来,随着纳米制备技术和纳米材料运用的发展,采用表面自纳米化技术已在多种金属表面获得纳米晶层。由于纳米材料高体积分数的晶界为原子扩散提供了大量通道,大大提高了原子扩散系数,晶界处各种非平衡缺陷以及大量的过剩能量都有