钛合金与不锈钢表面自纳米化后的扩散焊接试验研究

论文摘要

本文采用多种工艺对表面自纳米化后的TA17钛合金和0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢进行了扩散连接试验,并与未采用表面自纳米化处理的试样扩散焊接的结果进行比较,分析了焊接温度对焊接接头质量的影响。借助金相观察、显微硬度测试、扫描电镜观察、能谱分析、X射线衍射等分析手段研究了钛合金与不锈钢接头的组织结构和断口物相组成,系统分析了焊接工艺参数、组织结构与接头强度三者之间的关系。通过以上工作,得到以下结论:用机械研磨的方法对钛合金与不锈钢实现了表面自纳米化。在喷丸压力为0.6MPa、处理时间为5min、喷枪距试样表面的距离为35cm、弹丸直径为1mm的条件下,0Cr18Ni9Ti不锈钢和TA17钛合金试样最表面的晶粒尺寸分别为35nm和30.1nm;0Cr18Ni9Ti不锈钢的量剧烈塑性变形层的厚度在184.56μm左右,塑性变形层的总厚度达615μm左右;TA17钛合金的变形层的厚度达253.52μm,剧烈塑性变形层的厚度达121.81μm。用恒温恒压扩散焊接法实现了表面自纳米化后的TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢的连接,当焊接温度为850℃、焊接压力为8MPa,焊接时间为1200s时,得到的接头强度为327MPa。计算发现,与相同焊接温度下未采用表面自纳米化的恒温恒压扩散焊接相比,表面自纳米化后的恒温恒压扩散焊接Fe在β-Ti中的扩散系数增大,而扩散激活能减小。用脉冲加压扩散焊接法实现了表面自纳米化后的TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢的连接。通过研究工艺参数对接头强度的影响,得到了钛合金与不锈钢脉冲加压扩散焊接优化工艺:当焊接温度低于800℃时:在焊接温度T=750℃、脉冲压力P=80～150MPa、脉冲次数N=400次、脉冲频率f=0.5Hz、脉冲前保温时间t1=0s、脉冲后保温时间t2=60s的条件下,接头强度最高达到了262MPa。当焊接温度高于800℃时:在焊接温度T=850℃、脉冲压力P=8～50MPa、脉冲次数N=40次、脉冲频率f=0.5Hz、脉冲前保温时间和脉冲后保温时间都为0s的条件下,接头强度最高达到了364MPa,焊接时间仅为80s。试验结果表明:焊接温度比脉冲压力和脉冲次数对接头的强度的影响更大。比较脉冲加压扩散焊接与恒温恒压扩散焊接发现,脉冲加压条件下,经表面自纳米化后的材料在较低温度下就能够形成有效的连接,脉冲加压有利于促进焊接界面的有效接触,抑制扩散层的快速长大,界面处各种元素的扩散速度提高;焊接时间得以缩短、接头强度得到提高。对表面自纳米化后的钛合金与不锈钢直接对焊接头和断口进行了系统的分析发现,在焊接过程中,接头处形成了γ-Fe、σ相、Fe-Ti金属间化合物、β-Ti和α-Ti的层状组织;进行拉伸试验时,恒温恒压扩散焊接头断裂主要发生β-Ti固溶体和σ相及Ti-Fe金属间化合物之间的界面上,而脉冲加压扩散焊接头的断裂发生在金属间化合物与β-Ti层之间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 钛合金与不锈钢的焊接研究现状
• 1.2.1 爆炸焊
• 1.2.2 钎焊
• 1.2.3 摩擦焊
• 1.2.4 扩散焊
• 1.3 扩散焊接的机理及影响因素
• 1.3.1 扩散的微观机制
• 1.3.2 扩散连接的形成过程及形成机理
• 1.3.3 影响扩散焊接的因素
• 1.3.4 扩散系数D 的计算
• 1.4 表面自纳米化的研究现状
• 1.4.1 表面自纳米化的基本原理与制备方法
• 1.4.2 表面自纳米化的影响因素
• 1.4.3 表面自纳米化后晶粒的表征方法
• 1.4.4 表面自纳米化在钛合金和不锈钢扩散焊接中的应用
• 1.5 本课题的研究方案及研究内容
• 2 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法及设备
• 2.2.1 焊接试样的预处理
• 2.2.2 焊接试验
• 2.2.3 拉伸试验
• 2.2.4 金相观察
• 2.2.5 显微硬度测试
• 2.2.6 扫描电镜观察
• 2.2.7 能谱分析
• 2.2.8 X 射线衍射分析
• 3 不锈钢与钛合金的表面自纳米化处理及表征
• 3.1 不锈钢与钛合金的热处理
• 3.2 不锈钢与钛合金表面机械研磨处理工艺参数
• 3.3 0Cr18Ni9Ti 不锈钢表面纳米结构层表征
• 3.3.1 金相观察
• 3.3.2 扫描电镜观察
• 3.3.3 透射电镜观察
• 3.3.4 X 射线衍射分析
• 3.4 TA17 钛合金表面纳米结构层表征
• 3.4.1 金相观察
• 3.4.2 扫描电镜观察
• 3.4.3 透射电镜观察
• 3.4.4 X 射线衍射分析
• 3.5 本章小结
• 4 钛合金与不锈钢表面自纳米化后的恒温恒压扩散焊接
• 4.1 恒温恒压扩散焊接工艺及试验结果
• 4.2 接头组织分析
• 4.2.1 金相观察
• 4.2.2 显微硬度测试
• 4.2.3 接头扫描电镜及能谱分析
• 4.3 接头断口分析
• 4.3.1 断口扫描电镜观察
• 4.3.2 能谱分析
• 4.3.3 断口X 射线衍射分析
• 4.4 恒温恒压扩散焊接动力学计算
• 4.5 表面自纳米化与未表面自纳米化后的恒温恒压扩散焊接比较
• 4.5.1 焊接工艺及接头强度
• 4.5.2 扩散动力学
• 4.5.3 接头生成物相与结构分布
• 4.6 本章小结
• 5 钛合金与不锈钢表面自纳米化后的脉冲加压扩散焊接
• 5.1 脉冲加压扩散焊接的原理
• 5.2 脉冲加压扩散焊接变形特点
• 5.3 焊接试验结果
• 5.4 低温焊接时工艺参数对接头强度的影响
• 5.4.1 焊接温度对接头强度的影响
• 5.4.2 脉冲次数对接头强度的影响
• 5.4.3 最大脉冲压力对接头强度的影响
• 5.5 低温焊接时接头组织结构分析
• 5.6 低温焊接时接头断口分析
• 5.6.1 断口形貌观察
• 5.6.2 能谱分析
• 5.6.3 X 射线衍射分析
• 5.7 高温短时脉冲加压扩散连接
• 5.7.1 焊接试验工艺及试验结果
• 5.7.2 接头组织结构分析
• 5.7.3 接头扫描电镜观察及能谱分析
• 5.7.4 接头断口分析
• 5.7.5 扩散连接过程中的扩散动力学
• 5.8 材料经表面自纳米化处理后的恒温恒压与脉冲加压扩散连接比较
• 5.8.1 扩散连接变形速率
• 5.8.2 连接工艺及接头强度
• 5.8.3 接头生成物相与结构分布
• 5.8.4 扩散动力学
• 5.9 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 申请专利