钛合金/钢异种材料熔化焊研究

钛合金/钢异种材料熔化焊研究

宿超

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摘要：钛基材料的高比强度、耐腐蚀、耐高温度是其发展的主要原因，但由于其较高的生产成本，限制了其广泛的应用。然而，钢材作为最常用的传统建筑材料，其制造成本低廉，力学性能优良，但其在高温下不稳定，抗腐蚀能力差，密度较大。Ti/Ti/Ti复合结构的高可靠焊接可以实现两者在技术和经济上的互补性，在航空航天、能源化工、海洋装备、医学设备等方面有着广泛的应用。在这种情况下，对其进行深入的研究是非常必要的。由于其与钢材物理、化学性质的不同，两者在焊接时会产生较大的残余应力。Ti/Ti/Ni异构结构的焊接接头因其不同的热膨胀系数而引起的残留应力过大，对其可靠性造成了很大的威胁。(2)生成脆性的互质合金。由于Fe在Ti中的溶解程度很低（只有0.05%-0.1%)，其在Ti/Ti接头中很容易生成一类Fe/Ti型脆性化合物，导致接头发生脆化、韧性降低甚至断裂。近年来，国内外学者提出了多种方法，如调整焊接工艺、添加合金化钎料等，对焊接过程中脆性金属间化合物的生成进行了控制，提高了焊接可靠性。其中，熔融钎焊因其工艺简单、生产效率高、对接头几何形状约束小等优点，成为目前Ti/钢高可靠连接的主流技术。本项目拟对目前国际上关于Ti/Si基复合材料与Ti基复合材料的熔融焊接工艺进行系统的研究，揭示中间层成分、工艺参数等因素对Ti基复合材料与Si基复合材料界面结构演化及界面力学行为的作用机制，并对其进行深入分析，揭示其界面结构与界面行为之间的内在联系，阐明其界面行为与界面行为的内在关系，为Ti基材复合材料界面行为及界面行为的优化设计与调控奠定基础。

关键字：TiO2/TiO2；熔融焊；过渡层；焊接工艺

前言

现有关于Ti/Ti/Fe熔接焊接的研究还处于比较零散和自相矛盾的状态，缺少系统的归纳和整理。鉴于此，本项目拟以弧焊、激光焊和电子束焊三种不同类型的熔融焊为基础，围绕“工艺控制-显微结构演化-机械强度”这一关键科学问题，对其在Ti/Al金属结构中的应用进行系统综述，以期为Ti/Al金属结构的高可靠连接奠定基础。

1弧焊

目前，钛基合金/钢异质结构焊接普遍采用的焊接方式主要有W型和MIG型。电焊作为一种常用的焊接方式，其特点是效率高，成本低，适用面广。然而，Ti与钢材之间的物理化学性能、热物性等显著不同，使得Ti与Ti之间缺乏过渡层，难以获得高可靠的Ti/Ti焊接接头，其核心问题在于对Ti/Fe/Ti相组织进行有效的调控。针对Ti/Ti焊接过程中存在的Fe/Ti相变脆等缺陷，一些研究人员提出了在Ti/Ti焊接过程中添加过渡金属（商业焊丝和金属夹心）来提高Ti/Ti熔化强度。前期工作发现，添加过渡族元素可以在Fe、Ti等合金元素的基础上，有效地控制Fe和Ti合金元素的形成，并在一定程度上减小了焊缝中的残余应力，从而大幅提高了焊缝的强度和强度。常见的过渡金属是铜，钒，铌，锆等。

由于Cu具有很高的熔点，因此，在Ti/Fe/Ti体系中，通常使用Cu作为Ti/Fe/Fe/Ti体系进行Ti/Fe/Fe/Ti体系的连接。另外，由于Ti与Cu的冶金连接，使得Cu与Ti在低温下可以形成共结晶，从而提高了Ti与Ti的连接强度。

结果表明，采用不同的焊丝类型及不同的焊制方法可以提高焊缝的质量。通过合理选用焊丝，可以有效地控制焊接过程中出现的脆硬相组织，提高焊接质量，提高焊接质量。另外，采用不同的焊接方法，还可以对该体系中的脆性和硬性元素进行有效的控制，进而实现对该体系中脆性和硬性元素的有效控制。然而，目前Ti/钢电弧焊接技术仍面临着热影响区过大、焊接变形大的问题。

2激光焊

由于激光焊接能量集中，热输入小，热影响区小，热变形小，对Fe、Ti等组织结构的可控制备具有明显的优势。结果表明：在没有焊接线的情况下，采用激光偏置方式可以得到更高的焊接强度；结果表明：TC4钛合金-201不锈钢在不同工艺条件下，其焊缝的拉伸强度达到150MPa，而在不同工艺条件下，其搭接焊缝的拉伸强度只有50MPa[1]；焊缝的主体为接近于钛合金一侧的铁-Ti+alphaTi，而在不锈钢一侧的铁-Ti相则为铁-Ti相。

为了减少Fe、Ti等金属间化合物的形成，通常在Ti/Ti的激光焊接工艺中加入过渡层来提高连接强度。Cu过渡层可有效控制Fe,Ti相含量及形态，提高其连接质量，使其连接强度达到350MPa。

在焊接过程中，使用铜线材和铜箔可以有效地防止铁钛合金的形成，但在焊接过程中会产生较多的钛铜合金。因此，本项目拟在Ti/Cu过渡层中引入一种新型的Ti/Cu过渡层，以达到降低Ti/Cu脆性相变的目的。

激光焊接技术在控制Ti/Al非均匀焊接接头的变形及脆硬物的分布等方面表现出了特殊的优势。但是，由于激光位移的大小，对于焊接零件的焊接质量有较高的要求[2]。如果被焊零件的安装和激光的位置没有达到规定的精度，就会引起焊缝的质量问题。

3电子束焊

电子束焊机是一种具有高能量的焊机，它的焊机是室内使用的。与激光焊相比，电子束焊具有热分布较密集、基体熔融程度较高、热影响区较低等优点，适用于异质结构的焊缝。最高可达三百一十兆帕。由于TiFe2在Cu固溶后形成了TiFe2树枝状结构，且在Ti/Cu界面形成了较为柔软的Ti/Cu过渡层，从而减小了Ti/Cu焊接头的开裂风险。

电子束焊接可在高质量、高产量、高质量的情况下，对钛合金与钢材进行高效、高质量的连接。和激光焊接类似，电子束焊接也有很高的焊接精度。另外，其焊接工艺较为繁琐，成本较高。由于工艺条件和生产成本的限制，目前该技术主要应用于航空、核电等高端工业领域。

４结语与展望

Ti/钢异构结构的焊接是降低制造费用的一种有效途径，而Ti/钢异构结构的脆硬相、变形及残余应力是实现Ti/钢异构结构高可靠焊接的关键。通过引入界面过渡层，可以有效地控制界面中脆性合金的形成，缓解界面处的残余应力，但对提高界面强度的效果并不明显。

利用电弧进行非均匀性结构钛合金/钢电弧焊接是其高效、节能、节能的重要途径，而对焊缝能量的有效调节、对脆硬相形貌及分布进行精准调控是其安全可靠焊接的重要保证。目前国内外针对Ti/Ti/Ni非均质金属电弧焊接技术的研究，侧重于对焊缝显微结构及力学行为演化规律的定性分析，且成果具有很大的分散性，缺少对工艺与接头力学行为之间量化关系的系统研究。

激光、电子束等高能束焊技术在调控非均相组织结构中的非均匀性连接中表现出很强的优越性，但其对连接件的要求过高、制造成本过高，严重制约了其广泛应用。而对于大尺寸的焊缝，其显微结构及焊缝中的残余应力也表现出显著的不均匀梯度特性。明确焊接过程中不均匀梯度特性对焊接接头力学行为的作用机制是今后需要解决的关键科学问题。

针对当前Ti/Ti/Nb熔敷连接技术的发展现状，提出了通过选择适当的焊料或在其中加入过渡层来抑制Ti/nb熔敷连接过程中出现的脆性金属间化合物形成。高熵合金是一种综合性能优良的材料，发展适用于Ti/Sn/Sn复合电弧的高熵合金焊丝，可为控制非均一连接中脆硬相的种类和分布以及控制焊缝变形等问题提供新的途径。

参考文献

[1]马桢，吴伟，高志雄，等．重庆理工大学学报（自然科学），2021，35（7），108．

[2]褚巧玲．TA1／Q345层状复合板焊接机理及其组织演变行为研究．博士学位论文，西安理工大学，2017.