关键词：钛合金、钢、焊接性、脆性金属间化合物
钛合金作为非常重要的轻质结构材料和热强合金材料，其耐热性强，耐蚀性好，比刚度、比强度高，具有较好的塑性和韧性，在低温下能保持比较好的力学性能，在航空航天、石油化工、生物医学、造船及原子能工业等领域中得到了非常广泛的应用，在高技术和尖端科学方面发挥着重要作用。钢是应用最广泛的工程材料，具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性、热稳定性等，特别是304不锈钢作为不锈耐热钢使用范围最广泛，如食品用设备，一般化学设备及原子能工业用设备，钛合金与钢的双金属焊接结构可使钛合金的低密度、良好的耐腐蚀性和钢的高韧性、高强性、高硬度、耐磨性相结合起来，在节约材料、合理利用资源、提高复合性能和延长焊接产品的使用寿命方面起到非常重要的作用，充分发挥钛和钢在经济和性能上的互补优势[1]。因此，研究钛合金与钢连接技术有很好的经济和实际效益。
1 钛合金与钢异种金属焊接性
异种材料的焊接性主要取决于这两种材料的物理性能、冶金相容性、表面状态等，两种或者两种以上被焊材料的这些性能差别越大，焊接性就越差，此外，异种材料的焊接性还与焊接工艺有关。
1.1 物理性能和结晶化学性能差异
金属钛与铁在熔点、线膨胀率和热导率等热物理性能方面差异较大，这直接影响到焊接的热循环过程和结晶条件，降低焊接接头的质量，钛的热导率大概只有钢的1/5，焊接易产生变形，两者热膨胀率相差较大，会造成接头产生比较大的残余应力和变形，使焊缝及热影响区产生裂纹。
结晶化学性能方面的差异会产生冶金学上的不相容性，在固、液态下都具有良好互溶性的异种金属，才会在使用熔化焊时形成良好的焊接接头，另外，高温下钛合金中的钛元素易吸收氢、氧和氮，钛对气氛的高活性，250℃时开始吸收氢，400℃时开始吸收氧，600℃时开始吸收氮，如果焊接区含有大量的空气，会促进钛合金吸气，造成焊接区被气体污染而脆化，熔池凝固时，吸收的气体不能及时逸出，焊缝中残留的气体就会形成气孔[2]。
1.2 焊接接头冷却时形成脆性相
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图1.1 Ti-Fe二元合金相图
由图1.1钛-铁二元合金相图，相图中存在两种中间相TiFe2(六方)和TiFe(六方)，TiFe是在1317℃下由包晶反应生成，L+TiFe2 ? TiFe，TiFe2是稳定化合物，在1427℃下固液同成分熔化。铁在钛中的溶解度极低(0.04%)，焊接时焊缝区域容易产生脆性金属间化合物（脆性相）FeTi、Fe2Ti，这些金属间化合物非常硬，使接头金属塑性急剧下降，脆性变大，TiC和TiFe型脆性相是导致焊缝开裂的首要原因，特别是钛与不锈钢焊接时会与Fe、Ni、Cr产生复杂的金属间化合物，造成焊缝严重脆化，甚至产生气孔、裂纹等缺陷。
2 钛合金与钢异种金属焊接技术的进展
钛合金与钢直接焊接会生成金属间化合物，造成接头性能变差，无法直接使用熔焊，所以只能采用钎焊、压力焊和爆炸焊等材料不熔化或者只熔化极薄表层的焊接方法，或者采用加过渡层的方法进行熔焊。为此，国内外学者进行了大量研究。
为了能使钛与铁能焊在一起，需要在焊接过程中避免生成脆性相[3]，有三种方法：
（1）使用能与钛、铁两种元素能形成连续或者宽范围固溶体的金属材料来焊接；
（2）采用中间填料法，用一种或两种与钛、铁两种元素有较好焊接性的金属材料作为填料，不直接进行熔合，将两种材料间接地焊接起来。
（3）使用温度比钛、铁两种元素熔点低的焊接方法，钎焊就是使用这种方法。
杨静等人[4,5]制备了Ag95CuNiLi钎料，钎焊实验中发现钛合金-不锈钢异种材料钎缝的抗拉强度达到了220 MPa，焊缝中除不锈钢/钎料扩散层外，各个微区的硬度并没有增长；分析钎缝拉伸断口发现焊缝种接近不锈钢一侧是接头最脆弱的地方。杨仲林[6]用Cu-Ti-Ni-Zr-V非晶箔带钎料来钎焊TC4钛合金与不锈钢时，不锈钢母材边沿发生了局部溶解，相互扩散很明显，在TC4钛合金与钎料层间有较宽的反应层，剪切测试时均断裂于纤料层中灰色相附近，Cr-Ti、Fe-Ti、Cu-Fe-Ti和Fe-Ti-Zr等金属间化合物的生成是导致焊接接头断裂的首要原因。董志红[7]等人在相同温度、相同时间前提下, 使用扫描电镜, 观测分析了采用几种不同银基钎料钎焊的钛合金-不锈钢焊缝 ，发现钛易与其他元素反应，虽然不锈钢基材能与多数钎料发生反应，但在钎料中加少量的镍能减少不锈钢侧与钎料的反应，增强钎料与钛合金的反应，提高连接性能。
此外还有使用电子束钎焊的方法来连接钛合金和钢异种材料，杨忠波[8]使用Ag-Cu钎料来对TA15钛合金和304不锈钢进行电子束钎焊时发现，焊接接头的拉剪强度随着加热时间和束流的增加而增大，达到最大值189MPa后，参数变化反而起反作用，接头最大剪切强度的焊接参数为束流2mA，加热时间96s，聚焦电流550mA，断口发生在钎料与Ti3Cu4反应层上。
参考文献
[1] 马光,黄亮,孙晓亮,贾志华.钛合金与不锈钢焊接研究现状及发展趋势[J].中国材料科技 与设备,2012(6):9-11.
[2] 于启湛.异种金属的焊接[M].北京:机械工业出版社,2012.
[3] 李标峰,刘金荣.钛与钢的焊接[J].材料开发与应用,1986(4).
[4] 杨静,朱常桂,王飞,等.钛合金/不锈钢钎焊接头的组织特征[J].核动力工程,2005,26(4):402-405.
[5] 杨静,王飞,朱金霞,等.Ag95CuNiLi钎料钎焊钛合金与不锈钢异种金属的性能分析Ⅱ焊 性分析[J].焊接学报,2004,25(1):48-51.
[6] 杨仲林.钛合金/钢异种金属真空钎焊试验研究[D].大连:大连理工大学,2006.
[7] 董志红,范洪远.几种不同银基钎料对钛合金/不锈钢钎焊焊缝的影响[J].稀有金属与硬质合金,2004,32(3):23-26.
[8] 杨忠波 钛合金/不锈钢电子束钎焊界面组织及接头性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.
论文作者:罗添元,齐志芳，岳彩月，王宇，刘旭,滕海柱
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年3期
论文发表时间:2020/4/3
标签：钛合金论文; 钎焊论文; 金属论文; 不锈钢论文; 脆性论文; 两种论文; 异种论文; 《工程管理前沿》2020年3期论文;