添加Ni+Nb中间层的钛合金与不锈钢扩散焊工艺研究

李 鹏, 李京龙, 熊江涛, 张赋升, 霍立鹏

(1.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安 710072;2.西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室,西安 710072)

TC4钛合金具有比强度高、热稳定性好、重量轻等优点,但价格较高,1Cr18Ni9Ti不锈钢具有优异的机械性能、耐腐蚀性和耐高温性,同时价格低廉。二者构成的复合构件能充分发挥两种材料在性能上和经济上的优势互补[1],在航空、航天、化工以及海洋油田等领域的关键部件制造中应用广泛[2]。众所周知,钛合金和不锈钢焊接时存在两方面问题：一是TC4中的Ti元素在焊接过程中易和1Cr18Ni9Ti中的Fe,C元素形成TiFe,TiFe2,Fe2Ti4O及TiC等脆性的金属间化合物[3],二是1Cr18Ni9Ti线膨胀系数(19×10-6℃-1)约为 TC4线膨胀系数(8.8× 10-6℃-1)的 2倍,焊接冷却过程中接头产生较大内应力,两方面问题导致采用熔焊、钎焊、摩擦焊以及爆炸焊等方法均难以得到高性能接头以及解决接头相容性问题。采用添加中间层的真空扩散焊方法可以解决以上难题,从而获得性能优异的焊接接头。

目前报道的扩散焊接钛及钛合金与不锈钢的中间层主要有 Ni[4],Cu[2,5],Al[6,7]以及 Ni+Cu[8,9]等,研究中发现这些中间层组配与母材会生成复杂脆性相以及不能完全阻止Ti元素穿过中间层与Fe反应,强度最高达到322MPa,有必要进一步提高。基于Ti,Nb无限固溶以及Nb具有熔点高和原子激活能高的特点,可以完全阻挡Ti元素穿过中间层与Fe元素发生反应,另外,Ni与Nb反应生成金属间化合物种类较少,且生成的金属间化合物Ni3Nb在室温下具有较高的强度与塑性(沿[110]方向的抗拉强度可达到500MPa,延伸率高达17.5%[10]),同时,Ni和不锈钢有很好的相容性[4],因此,Ni+Nb中间层组配成为扩散焊接二者的优选方案。……