【摘要】：鈦合金具有高比強度和優(yōu)良的耐腐蝕性能,是航空航天,化工制造等領(lǐng)域首選的結(jié)構(gòu)材料。但是,由于鈦合金高昂的制備和加工成本,其應用范圍大大受限。開發(fā)鈦合金新型低成本連接成形技術(shù),減少加工過程中材料浪費;以及將鈦合金與異種材料連接,制備復合構(gòu)件,減少鈦合金用量,是充分開發(fā)鈦合金性能優(yōu)勢,控制鈦合金應用成本的有效手段。本文針對鈦合金釬焊過程中釬料制備困難問題,開發(fā)了采用純Ni,純Cu及Cu-Ti-Cu復合填料的鈦合金低成本瞬時液相(TLP)連接工藝。同時,為解決鈦/異種金屬連接時界面脆性金屬間化合物惡化接頭力學性能問題,設計了基于Nb中間層的鈦合金/異種金屬部分瞬時液相(PTLP)連接工藝,通過釬料/中間層設計實現(xiàn)了鈦/異種金屬接頭組織的調(diào)控,改善了力學性能。為研究鈦基材料在釬焊過程中接頭的組織和力學性能演變規(guī)律,采用Ag-28Cu和非晶Ti-Zr-Cu-Ni釬料對純鈦(CP-Ti)進行了釬焊。結(jié)果表明,當采用Ag-28Cu在850°C釬焊CP-Ti時,釬料中的Cu優(yōu)先與Ti反應,在接頭界面生成Ti-Cu共析組織,Ti_2Cu,TiCu,Ti_3Cu_4,Cu_4Ti以及殘余富Ag相。隨著釬焊時間延長,接頭中TiCu相數(shù)量明顯增加,而Ti_3Cu_4和Cu_4Ti全部消失。由于TiCu層厚度明顯增加,接頭強度隨保溫時間延長而明顯降低。當采用非晶Ti-Zr-Cu-Ni釬料在900°C下釬焊CP-Ti時,釬料中的Cu,Ni元素不斷向基體擴散,生成Ti_2Cu,Ti_2Ni等金屬間化合物,以及Ti-(Cu,Ni)共析組織。隨保溫時間延長,接頭中Cu,Ni元素濃度不斷降低,當保溫60 min時接頭實現(xiàn)充分均勻化,得到無脆性金屬間化合物接頭。在拉伸載荷下,充分均勻化接頭的斷裂發(fā)生在母材,說明接頭強度超過母材。為克服非晶Ti-Zr-Cu-Ni釬料制備困難的問題,開發(fā)了采用純Ni和純Cu中間層的Ti-6Al-4V(Ti64)合金TLP連接工藝。在外加載荷1 MPa條件下,采用Ni中間層TLP連接Ti64時,當連接溫度達到960°C,中間層可完全參與反應,生成Ti-Ni共晶液相。隨著接頭在930°C保溫時間的延長,接頭中Ni含量逐漸降低,在保溫20 min時實現(xiàn)充分均勻化,得到力學性能與母材相當?shù)慕宇^。采用Cu中間層TLP連接Ti64時,在930°C即可實現(xiàn)Ti-Cu共晶液相對母材表面的潤濕,并隨即發(fā)生完全等溫凝固,轉(zhuǎn)變成TiCu。在均勻化過程中,由于Cu不斷向基體擴散,TiCu轉(zhuǎn)變成為Ti_2Cu,再轉(zhuǎn)變成為含有少量Cu的β-Ti。在冷卻至室溫過程中,Cu以共析Ti_2Cu形式在α-Ti晶界析出,形成α-Ti+條狀Ti_2Cu組成的接頭。在拉伸試驗中,接頭斷裂發(fā)生在母材,說明接頭力學性能優(yōu)于母材。為了克服采用純Ni,純Cu中間層TLP連接時需要外加載荷問題,設計了預壓連接Cu-Ti-Cu復合中間層,并在無載荷條件下對Ti64進行了TLP連接。結(jié)果表明,當連接溫度達到930°C,復合中間層可以在無外加載荷條件下實現(xiàn)完全熔化,并充分潤濕母材表面。采用Cu-Ti-Cu復合中間層TLP連接Ti-6Al-4V接頭均勻化過程中接頭組織和力學性能演變規(guī)律與采用純Cu中間層時一致,但由于中間層完全熔化導致的對母材更為顯著的溶蝕,其均勻化進程快于采用純Cu中間層。采用Nb/Cu復合中間層對Ti64和304不銹鋼(SS)進行了擴散連接研究。結(jié)果表明,Nb/Cu復合中間層可以有效避免界面金屬間化合物的生成,在Ti/Nb和Cu/SS界面分別生成Ti-Nb和Fe-Cu固溶體。在Nb/Cu界面,采用消耗性Ti中間層可以有效克服Nb-Cu體系的不互溶性,促進Nb/Cu間的冶金連接。在Nb-Ti-Cu界面,Ti同時與Nb和Cu反應,生成(Nb,Ti)固溶體和一系列Ti-Cu金屬間化合物。隨著保溫時間的延長,Nb/Cu間的Ti不斷稀釋,直至其不足以形成穩(wěn)定的化合物,從而得到Nb-Cu-Ti三元固溶體組成的Nb/Cu界面。最終,在850°C,保溫60 min條件下得到由(Ti,Nb)固溶體/Nb/Nb-Cu-Ti固溶體/Cu/(Fe,Cu)固溶體組成的Ti64/304 SS接頭。在拉伸試驗中,接頭沿Cu中間層發(fā)生韌斷,接頭強度達到540MPa,說明接頭脆性被完全消除。還研究了溫度對Nb-Ti-Cu界面組織的影響。當溫度超過Ti-Cu共晶點875°C時,在Nb-Ti-Cu界面產(chǎn)生共晶液相,并快速等溫凝固形成顆粒狀TiCuNb相和Cu_4Ti相。此時Nb-Ti-Cu界面實為TLP連接,由于固液界面元素擴散的增強,接頭均勻化明顯加快。受Ti-Cu共晶點以上Nb-Ti-Cu界面組織演變所啟發(fā),開發(fā)了針對Ti64/Cu異種材料連接的PTLP連接技術(shù)。即以Nb為核心難熔中間層,通過預壓連接制備Cu/Ti/Nb/Ti/Cu中間層。在910°C下,Nb兩側(cè)Cu/Ti層發(fā)生共晶反應,分別潤濕Ti64和Cu母材。當保溫時間延長至60 min,接頭充分均勻化,在Ti64/Nb界面,Cu逐漸稀釋,得到Ti-Cu共析組織;在Nb/Cu界面,Ti充分稀釋,得到Nb-Cu-Ti三元固溶體。拉伸實驗結(jié)果表明,充分均勻化接頭斷裂發(fā)生在Cu母材,說明Ti-Nb界面的共析組織沒有對接頭強度產(chǎn)生不利影響,接頭力學性能優(yōu)于Cu母材。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶釬料/Nb中間層/AgCuTi活性釬料組合PTLP連接CP-Ti和Inconel 625合金時,隨著保溫時間的延長,在Ti/Nb界面,Ti基釬料中的Cu,Ni元素被充分稀釋,得到(Ti,Nb)固溶體;在Nb/AgCuTi界面,釬料中的Ti與Nb反應,實現(xiàn)冶金連接;在AgCu Ti/Inconel 625界面,生成(Cu,Ni)固溶體。在充分均勻化情況下,接頭強度超過CP-Ti母材強度。
【圖文】：

1 緒 論1 緒 論優(yōu)越的綜合性能，如極佳的耐腐蝕性能和航空航天、核能發(fā)電和化工制造等領(lǐng)域的硝酸中未經(jīng)合金化的工業(yè)純鈦 (CP-T優(yōu)良的耐腐蝕性能[2, 3]。就力學性能而言的合金化和合理的熱處理，能夠顯著改000 MPa[4]。正是由于鈦合金所具有的低于其他常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)材料，如圖 1.2 和

合金的冶煉過程，鈦原料的制備過程要復雜材料。工成本，在高溫下容易與空氣中的 O、N 等元素金的加工、熱處理等工序中，對加工條件均熱容較大、傳熱系數(shù)小，在機械加工時容易件容易粘刀，甚至與刀具發(fā)生反應，導致刀高昂造價，在機加工過程中產(chǎn)生的大量鈦廢用成本溫 (600 °C) 下仍具有顯著的比強度優(yōu)勢，鈦合金基體擴散，，形成間隙原子，大大降低合磨性較差，在服役過程中往往容易因磨損、服役壽命。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG457.1

【參考文獻】

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1 張秉剛;王廷;段瀟輝;陳國慶;馮吉才;;添加銅填充層的Ti-15-3鈦合金與304不銹鋼電子束焊接過程中的溫度與應力場(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年02期

2 王廷;張秉剛;陳國慶;馮吉才;唐奇;;Electron beam welding of Ti-15-3 titanium alloy to 304 stainless steel with copper interlayer sheet[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2010年10期

3 楊靜;賴旭平;朱常桂;朱金霞;劉曉榮;楊軍;;幾種釬料對鈦合金/不銹鋼釬焊接頭的釬縫強度與界面的影響[J];核動力工程;2008年01期

4 楊靜,邱紹宇,朱金霞,王飛,劉曉榮;低熔點Ag-Al-Mn-Si合金釬料的釬焊工藝性能研究[J];核動力工程;2005年03期

5 楊靜,邱紹宇,朱金霞,王飛,劉曉榮;低熔點Ag-Al-Sn合金釬料的釬焊工藝性能研究[J];核動力工程;2005年02期

6 楊靜,王飛,朱金霞,劉曉榮;Ag95CuNiLi釬料釬焊鈦合金與不銹鋼異種金屬的性能分析 Ⅱ.釬焊性分析[J];焊接學報;2004年01期

本文編號：2564554