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分享:不同扩散焊工艺下以钽+铜为复合中间层的 钛合金 不锈钢接头性能

2022-09-13 14:58:33 

摘 要:分别在常规工艺(20 ·s-1速率升温至1000 ,保温1200s,压力6.7 MPa,空冷)阶梯工艺(20 ·s-1速率升温至1050 ,停留2s后以10 ·s-1速率降温至950 ,此阶段压力 2.8MPa,然后在6.7MPa压力下保1200s,),+复合TC415-5PH 不锈钢进行真空扩散焊,果表:金与不锈钢间元素互扩散;阶梯工艺下接头的抗拉强度为550 MPa,高于常规工艺(390 MPa),与柯肯达尔扩散空洞小且浅焊后复合中间层厚度较小以及铜/钽界面连接质量较高有

关键词:TC4;15-5PH ;;

中图分类:TG456.9 献标:A :1000-3738(2022)06-0036-08

0 引 言

钛与钛合金被誉为当代第三金属[1-2],具有比 强度高密度低耐高温耐腐蚀和韧性好等优点,航空航天核 工 业石 油 化 工船 舶 等 领 域 应 用 广 [3-4];不锈钢具有强度高力学性能良好焊接性和 热稳定性优异等优点,且其价格相对便宜[5-6]如果 能充分利用钛和钢的优点得到综合性能优异的钛合 金与不锈钢异种金属焊接接头,除了可以获得独特 的性能优势和良好的经济效益外,还可满足节能减 结构轻量化的要求[7-12]目前,异种金属的焊接 方法包括摩擦焊钎焊激光焊电子束焊和真空扩 散焊,虽然这些方法都可以成功地完成钛合金与不 锈钢的连接,但是相较于真空扩散焊,都有其不足之 ,如操作设备要求较高,接头成分难以控制,接头 中形成焊接裂纹等[13];而真空扩散焊不仅可以避免 氢等元素对接头的不利影响,还可实现母材的近 净结合[14]

钛合金和不锈钢间较差的冶金相容性和严重不 匹配的物 理 力 学 性 能,导 致 焊 接 接 头 中 极 易 形 成 Ti-Fe,使以形连接[15-16],学者间层 的方法,有效地防止钛铁元素相互扩散,常用中间 层材料有铜[17][18][19][20]+[21]+ [22]+[23]++[24]和高原子激活能,TC4的主固溶,能与15-5PH 不锈钢中的铁元素形成 Fe2TaFeTa金属间化合物;铜是非碳化物形成,15-5PH 不锈钢中的铁元素形成固溶体,形成固溶体;同时钽和铜具有良好的塑性,可有效缓 解焊接过程中产生的残余应力因此,可将钽+作为复合中间层用于钛合金与不锈钢的焊接中,是目前未见有关该方面的研究报道对于含有中间 层的钛合金和不锈钢,一般选择在恒定温度和较高 压力的传统工艺下进行扩散焊,而研究[25]表明,扩散焊接头中未产生金属间化合物的前提下,中间 层厚度越小,越有利于提高接头强度,因此可采用先 在接近中间层熔点的较高温度和较低压力下保持较 短时间以促进中间层减薄,再在较低温度和较高压 力下保持较长时间的阶梯工艺基于此,作者以钽 +铜作为复合中间层对 TC4钛合金和15-5PH 锈钢进行真空扩散焊接试验,研究了常规工梯工艺对接头显微组织和拉伸性能的影响

1 试样制备与试验方法

待焊母材包括:TC4钛合金,其化学成分(质量 分数/%)6.10Al,3.95V,0.30Fe,0.20O,0.10C, Ti;15-5PH (05Cr15Ni5Cu4Nb),成分(/%)0.06C,15.4Cr,4.8Ni,3.2Cu, 1.00Mn,0.35Nb,Fe100μm 的纯铜片和100μm 厚的纯钽片[23]2种待焊材为退火 态,将 待 焊 材 料 加 工 成 尺 寸 为?15 mm × 25mm


Gleeble-1500/进行空扩散焊接试验,1mm 处焊 热电偶测温按照 TC4钛合金///15-5PH 锈钢(以下简写为 TC4/Ta/Cu/15-5PH)的顺序组 装试样,如图1所示采用常规工2 种工艺进行焊接:常规工艺即以20 ·s-11000 ,保温1200s,压力保持6.7MPa,; 阶梯工艺即以20 ℃·s-1速率升温至1050 ,短暂 停留2s,随后10·s-1950,段压力为2.8MPa,6.7 MPa,950 1200s,空冷


用线切割方法在图2(a)所示的位置上以焊缝 为中心截取厚度为 5 mm 的金相试样,经打磨,用由5gCuCl240mLHCl30mLH2O25mL CH3COOH 15-5PH ,2 mL HF4 mL HNO394 mL H2O 液腐蚀 TC4 钛合金侧,AxioVertAl学显微镜(OM)观察显微组织在图2(a)位置上以焊缝为中心用线切割方法加工成工字型板状拉伸试样,试样尺寸如图2(b)所 示,AG-I 250KN 型材料试验机上进行室温拉伸试验,速度为1mm·min-1;TC4钛合金加工成尺寸为 ?15mm×50 mm 的试样,作为对,焊接试验相 同 的 热 力 模 拟 过 程,的 试 条件下进行拉伸试验[23]使用JSM-5600LV 型扫 描电子显微镜(SEM)观察接头截面和拉伸断口形 ,用附带的Falcon型 能 谱 仪 (EDS)进 行 微 区 成 分分析[23]

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可以看出,不同工艺下扩散焊接头均可 明显分为不锈钢铜层钽层钛合金等4个区域以 及不锈钢///钛 合 金 等 3 个 界 面 区 域15-5PH ,奥 氏 素体,氏体,白色,素体呈黑色;15-5PH 不锈钢/铜界细晶组织,主要由细化的马氏体体组 ;/TC4钛合金界面近钛合金侧为细晶组织,亮白色的等轴状 α-Ti和针状β-Ti;TC4金为粗晶组织,主要为片状β15-5PH 锈钢/铜界面近不锈钢侧和/TC4 钛合金界面近 钛合金侧晶粒较细小的原因是界面处的电阻较大, 加热时的温度较高,且界面处的成分分布不均匀,易发生相变和再结晶接头中15-5PH 不锈钢///TC43,,,这是基础各界面处都形成了一条颜色较深的狭窄区 ,,[23],不同,主要与各元素间的固溶,主要元素铁与铜之间以及铜间的, 而钽能与 TC4钛合β-Ti相无限固溶[18],15-5PH 不锈//钽这2个界面的扩较钽/TC4钛合接头的铜层 厚度约为43.5μm,47.8μm;艺下接头铜层厚度约为32.6μm,钽层厚度约为48. 2μm可知,铜层和钽层 的 厚 度 都 小 于 原 始 厚 100μm,和元2厚度,的熔 (2980 );而铜层厚度相差较,(1083 ),阶梯1050 ×2s步骤,铜的熔点,导致铜片短时熔化,增加扩散速率,使得 焊合[23]2β-Tiα-Ti,β-Ti,β,TC4合金侧会降α→β的转变,使β-Ti到较低温度,导致焊后冷却过程中形成 β


由于2种工艺下接头中15-5PH//界面 的组织相差不大,因此仅对常规微观形貌与元素分布进行分析由图4可以, 接头中各界面结合良好15-5PH 不锈钢/面处形成一层厚约3μm 的由铁和铜元素组成的扩 散层,在铜/钽界面处形成一层厚约3μm 由铜钽元素组成的扩散层,二者线扫描曲线平滑,明扩 ,间化,--


5以看,艺下中钽/TC4 钛合金形成2个扩散层,分别为近钽侧 A 扩散层(灰色区)以及近 TC4钛合金侧的 B(),A 缺陷AB,B扩散TC4的空洞;A B ,B 扩散层和 TC4钛合金基体间出常规工艺的加热温度为1000 ℃,温度主要为950 ,元素扩散系数随温度高呈数增加,温度越高,原子迁移越容易,素互起的化学反应越激烈[26-28],可知常规工艺下元素扩 散系数较大,原子扩散加剧,形成的扩散层较厚洞出现的原因可能是原子的扩散导致钛合金与钽片 的界面处形成了金属间化合物,也可能是层内的元 素扩散速率不同而产生的柯肯 达 尔 扩 散 空 洞[29]对图5EDS,下接头钽/TC41的钛 原子分数为54.17%,2(B)的钽原子分数(6.13%),即钛向钽侧扩散的原子数 于钽向钛使面处,,达尔扩散空洞;位置3(/TC4钛合金界面近钛 )24.65%,52.48%,Fe-Ti, 进而出[28]/TC4元素,这是因为钽原子,铁原子通过换置铜原子钽原子扩散到 Ta/TC4 钛合金界面[30]阶梯工艺下接头钽/TC4钛合金面近钽侧的位置4处含有的钛原子分数为2.69%, 6,7,8(/TC4) (1.11%),,铁元素,/TC4钛合金界面近钽侧的钛含量和钛合金侧的钽 含量都大于阶梯工艺下,因此阶梯工艺下界面处的 柯肯达尔扩散空洞小而浅


由图6可以看出,TC4 钒和元素钽在界面处,在中间 A 扩散层B扩散层过渡明显


2.2 拉伸性能与断口形貌

试验测得常规工艺和阶梯工艺下接头的抗拉强 度分别为390,550MPa,220 MPa纯钽的309MPa,TC4合金与15-5PH 不锈钢的良好焊和阶 梯工艺下接头均于钽/铜界面处断7看出,常规工艺下接头拉伸断口中存在较多撕裂棱, 断口形貌比较单一,断裂形式为近脆性断裂,存在树 枝状结构(亮白区)和微凸凹的条状结构(黑色区)。 由表(位置12,,常规工艺下接头拉伸断口中亮白区域 3,4)主要是铜钽固溶体,撕裂棱主要产于铜层,这是由于铜比较软,强度低,塑性好,使得该 区域在钽/铜界面的铜侧断裂;黑色区域(位置1)要是富含钽的固溶体,该区域在钽/铜界面处钽侧断 可知常规工艺下接头的断裂主要发生于钽/界面的,


8,下接头钛合金一侧 ,3的形 ,韧性断裂,结合表2可知该区域主要富含固溶体,在钽/铜界面处的铜侧断裂;2含有 原子分数40.28%23.44%,子可/,的固溶体,,/钽侧断裂呈网状凹坑的区域存在明显的凹坑撕裂棱,为解理断裂,该区域主要是富含钽的固溶 ,其中钛含量较高,该区域在钽/TC4钛合金界面 处的钛合金侧断裂可知,阶梯工艺下接头呈现复 合断裂形式,主要在钽/铜界面处的铜侧断裂2工艺下接头拉伸断口的 EDS分析,有少量的铁原子,且高于钛合金,时还含有少量钛原子,说明中间层没有完全阻止钛铁原子相互扩散,但是二者含量很低,不形成或者形 成极少量的 Ti-Fe金属间化合物,对接头的力学性 能影响不大

综上可知,常规工艺下接头主要在钽/铜界面处 的钽侧断裂,而阶梯工艺下主要在钽/铜界面处的铜 侧断裂,2种工艺下接头的抗拉强度都超纯钽的强度,这是由于一方面软夹层铜接触强化效应[25],另一方面,铌等元素扩散 到中间层中起到固溶强化作用[23]阶梯工艺的接 头 抗拉强度远高于常规工艺,造成这种现象的原因主要包括:(1)接头的抗度与软质中间有关,常规工艺下接头中的厚度为91.28μm, 阶梯工艺下中间层的厚度为80.8μm,在一内软质中间层的厚度越小,中间层的塑性形越,接头强度提高得越明显;(2)接头的抗拉强度与 接头接触界面的柯肯达尔扩散空洞的大小有关,梯工艺下接头中的柯肯达尔扩散空洞小且浅,因此 抗拉强度较高;(3)接头的抗拉强度与钽/铜界面的 连接质量有关,阶梯工艺中增加了1050 ℃×2s步骤,导致铜层短时熔化,界面的焊合率增加,使/铜界面连接质量较高,因此抗拉强度较高

3 结 论

(1)不同焊接工艺下以铜+钽为复合中间层真 空扩散焊接 TC4合金15-5PH 不锈钢后,接头 15-5PH 不锈钢/// 界面过渡 良 好,结 合 紧 密,未 见 明TC4孔钛洞合和金缝3隙处, 15-5PH 不锈钢//2个界面的扩散层较钽/ TC4钛合金界,大于阶梯工艺+合金与不锈钢之间钛铁元素的相互扩散,防止生成 金属间化合物

(2)2 种焊接工艺下 接 头 中 15-5PH 不 锈 钢/ /23μm 扩散,/TC4肯达尔扩散空洞,扩散空

(3)抗拉度分 别为390,550MPa,的抗度与柯肯达尔扩散空洞小且浅焊后复合中间层的厚度较小以及钽/铜界面连接质量高有关;常规工艺 下接头的断裂主要发生于钽/铜界面的钽侧,断裂方 式为近脆性断裂,而阶梯工艺下接头主要在钽/铜界 面处的铜侧断裂,呈复合断裂形式阶梯工艺可以 大幅度提高 TC4钛合金/纯钽/纯铜/15-5PH 不锈 钢的真空扩散焊接头性能


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