一種鈦合金表面處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種鈦合金表面處理工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是當(dāng)今航空、航天、原子能等尖端科技的發(fā)展，人們對(duì)材料的性能提出了越來(lái)越高的要求。無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)性還是使用性的角度來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)單一材料已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)對(duì)材料綜合性能的需求。因此，國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)工作者正致力于研究與開(kāi)發(fā)新材料及異種材料的連接技術(shù)，這已經(jīng)成為材料連接領(lǐng)域的熱門課題之一。
[0003]鈦及鈦合金的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、比重小，比強(qiáng)度高；并且鈦及鈦合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，在海水和大多數(shù)的酸、堿、鹽中，均具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，是宇航、石油化工、醫(yī)療及地質(zhì)等許多行業(yè)中急需的材料，但其價(jià)格昂貴，限制了鈦合金的推廣應(yīng)用。因此，生產(chǎn)鈦合金的復(fù)合材料，研究開(kāi)發(fā)鈦合金與其它材料問(wèn)的連接，是充分發(fā)揮鈦合金的優(yōu)良性能，推廣鈦合金應(yīng)用的有效途徑。鋼價(jià)格低廉，具有良好的熱電性能及機(jī)械性能，而鋼的耐蝕性差、比重大。在某些情況下，需要兼有鈦合金與鋼優(yōu)良特性的異種材料連接件，如宇航(衛(wèi)星燃料噴注器及姿態(tài)控制推進(jìn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件)、石油化工(電極、電解槽、電鍍、反應(yīng)塔、強(qiáng)酸強(qiáng)堿容器)、核動(dòng)力裝置(核動(dòng)力一體蒸汽發(fā)生器)、娛樂(lè)(高爾夫球)及醫(yī)療等行業(yè)中常常需要把鈦合金與不銹鋼連接在一起。因此，開(kāi)展鈦合金與不銹鋼連接技術(shù)的研究，具有非常重要的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)意義。
[0004]另外，鈦是一種活潑金屬，與大多數(shù)金屬連接時(shí)，都將在界面上形成脆性相，影響接頭性能，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是詳細(xì)觀察分析界面元素?cái)U(kuò)散、相互作用形成脆性相的種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及分布，但這方面的深入觀察不系統(tǒng)，理論也不成熟，有待于進(jìn)一步研究。結(jié)合課題要求，本文分別進(jìn)行了鈦合金與不銹鋼脈沖加壓擴(kuò)散連接的優(yōu)化、加中間層脈沖加壓擴(kuò)散連接，并進(jìn)行了詳細(xì)分析與對(duì)比。不同連接方法進(jìn)行鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散連接，深入研究接頭結(jié)合機(jī)理，為該接頭成功應(yīng)用于航空、航天、石油、化工等領(lǐng)域提供理論依據(jù)，為解決屬于此種類型的異種材料擴(kuò)散連接提供借鑒，推動(dòng)擴(kuò)散連接理論的完善及應(yīng)用，促進(jìn)鈦合金的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
[0005]另外，不銹鋼中的鉻、鎳、碳等元素也可能與鈦之間形成脆性相，同時(shí)鈦、鐵、鉻及鎳之間還可能形成多元復(fù)合脆性金屬問(wèn)化合物，使焊縫進(jìn)一步脆化，接頭性能進(jìn)一步下降。因此，鈦與不銹鋼直接焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生的主要問(wèn)題有:
[0006](I)由于二者線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率相差較大，在焊接加熱和冷卻過(guò)程中變形不同，導(dǎo)致接頭中形成較大的內(nèi)應(yīng)力。
[0007](2)鐵在焊縫中的含量將大大超過(guò)它在鈦中的溶解度，在焊縫中形成大量很脆的金屬間化合物。
[0008](3)鈦與不銹鋼焊接時(shí)，隨著溫度的升高，鈦及鈦合金的吸氣能力顯著提高。而焊縫冷卻時(shí)，由于冷卻速度的影響，吸收的氫、氧、氮來(lái)不及全部逸出而形成氣孔。
[0009](4)鈦是強(qiáng)碳化物形成元素，與鋼中的碳極易形成脆性的TiC，當(dāng)鈦與含鉻、鎳的奧氏體鋼焊接時(shí)更為復(fù)雜，焊縫中的鈦會(huì)與鐵、鉻、鎳形成復(fù)雜的金屬問(wèn)化合物，從而使焊縫變得極脆.
[0010]由于上述原因和情況的存在，必然會(huì)對(duì)連接接頭的產(chǎn)生不良的影響，也導(dǎo)致了連接接頭性能的難以提高。這就是鈦及鈦合金與不銹鋼焊接的困難及問(wèn)題所在。可見(jiàn)，成功地實(shí)現(xiàn)鈦合金與不銹鋼的連接，必須采取合適的焊接方法、工藝措施及工藝參數(shù)，以達(dá)到避免或減少連接界面脆性相的形成，降低接頭內(nèi)應(yīng)力，獲锝性能優(yōu)良的連接接頭。
[0011]其中鈦及鈦合金與不銹鋼釬焊的關(guān)鍵問(wèn)題是釬料的選擇。鈦和鋼還可以用接觸反應(yīng)釬焊進(jìn)行焊接，其原理在接觸良好的情況下，加熱到鈦鐵共晶反應(yīng)溫度以上，依靠鈦與鐵的相互擴(kuò)散，在界面處形成共晶體，從而把鈦和鋼連接起來(lái)，鈦.鐵共晶接頭最高強(qiáng)度。張友壽等研究用兩種不同的Ag.CU合金作釬焊填充金屬，探討了工業(yè)純鐵與不銹鋼的真空釬焊，結(jié)果用Ag-28Cu填充金屬釬焊的接頭的剪切強(qiáng)度為97-230MPa，分析了了接頭中形成的不同相的特征以及金屬間化合物對(duì)釬焊接頭力學(xué)性能的影響。針對(duì)鈦和不銹鋼異種金屬釬焊時(shí)兩種金屬釬焊溫度的差異，熱物理性質(zhì)的差異以及鈦的溶蝕問(wèn)題，趙彭生等采用輝光放電釬焊方法，指出這種方法的優(yōu)點(diǎn)之一就是能在釬焊過(guò)程中，依靠離子轟擊凈化作用，有效地去除母材及釬料表面的氧化膜，改善釬料的鋪展條件，他們用輝光放電釬焊得到了優(yōu)良的鈦和不銹鋼接頭，但是沒(méi)有揭示焊接接頭的具體力學(xué)性能數(shù)據(jù)。這種焊接接頭能夠承受試驗(yàn)條件下熱循環(huán)產(chǎn)生的長(zhǎng)期熱應(yīng)力、應(yīng)變，而不產(chǎn)生破壞，主要是因?yàn)?釬縫中存在冶金或半冶金結(jié)合的擴(kuò)散層，由于界面效應(yīng)，有利于材料承受熱循環(huán)；由于螺紋連接結(jié)構(gòu)，螺紋實(shí)際上能使釬縫上受到的工作負(fù)荷完全卸去，從而大大減少了因釬焊母材之間熱膨脹系數(shù)不同而造成的滑移痕跡對(duì)釬縫的破壞作用；由于高銀釬料的塑性較好，有利于承受熱循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、應(yīng)交，減緩熱應(yīng)力，熱沖擊對(duì)釬縫的破壞。通過(guò)對(duì)釬焊工藝(釬焊溫度、釬焊時(shí)間)、合金元素對(duì)Al/Ti真空釬焊接頭中金屬問(wèn)化合物影響的研究，系統(tǒng)地分析了影響接頭強(qiáng)度的因素，這對(duì)于鈦和鈦合金與不銹鋼的焊接都有一定的借鑒意義。金相分析和剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭結(jié)合牢固，組織性能良好。鈦及鈦合金與不銹鋼釬焊雖可以獲得一定使用性能的焊接接頭，但焊接接頭的結(jié)合強(qiáng)度較低，而且耐蝕性也常常滿足不了要求。
[0012]爆炸焊接是利用炸藥產(chǎn)生的沖擊力造成焊件迅速碰撞，同時(shí)產(chǎn)生高速射流清除表面的氧化膜和吸附層，使兩個(gè)潔凈的金屬表面相互接觸，并在高壓下緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程。爆炸復(fù)合是瞬間完成的，在界面上形成的擴(kuò)散層。典型的爆炸焊結(jié)合邊界面為波浪形，其結(jié)合強(qiáng)度和各種力學(xué)性能要優(yōu)于直線結(jié)合和具有連續(xù)熔化層的結(jié)合。這對(duì)于極易于形成脆性金屬問(wèn)化合物的鈦及鈦合金與鋼的焊接來(lái)說(shuō)是合適的。
[0013]爆炸焊比較適合于鈦及鈦合金與不銹鋼的焊接，制造鈦一鋼復(fù)板是目前爆炸焊的一個(gè)重要應(yīng)用，許多國(guó)家都致力于其機(jī)理、工藝及應(yīng)用的研究。用爆炸焊制造的鈦.鋼復(fù)合板接頭的強(qiáng)度完全取決于爆炸焊的工藝參數(shù)，炸藥質(zhì)量大小與懸置板量大小的比值，爆炸速度和兩相鄰板問(wèn)的起始距離，最好的情況可達(dá)350-380Mpa，斷裂常發(fā)生在鈦.鋼界面處。對(duì)爆炸焊接的結(jié)合機(jī)理和連接特征進(jìn)行了研究。分別用銅和鋁作為中間夾層，對(duì)鈦與鋼對(duì)爆炸焊接試驗(yàn)。