本發(fā)明涉及材料焊(連)接領(lǐng)域，特別涉及一種鈦合金與不銹鋼的異種金屬擴(kuò)散焊方法。
背景技術(shù)：
：微型金屬杜瓦裝置為紅外焦平面探測(cè)器的低溫工作環(huán)境提供良好的電、機(jī)、熱、光傳輸通道，是紅外焦平面探測(cè)器封裝和保護(hù)的關(guān)鍵裝置。鈦合金與不銹鋼是杜瓦裝置主要使用的材料。但是，針對(duì)杜瓦材料所使用的鈦合金與不銹鋼異種金屬之間的焊接卻存在較多的問(wèn)題，不同金屬材料在物理與化學(xué)性能上的差異(如膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、化學(xué)成分等的差異)會(huì)導(dǎo)致焊接接頭形成較大的殘余應(yīng)力。ti元素與不銹鋼中的fe、cr、c元素極易形成大量tife、tife2、σ及tic等脆性相，導(dǎo)致焊件在焊接應(yīng)力作用下斷裂。鈦和鈦合金由于其高強(qiáng)韌性、高的熔點(diǎn)，極好的腐蝕性能和低的密度被廣泛應(yīng)用于石油化工、低溫和航空工業(yè)；不銹鋼因具有塑性韌性好、焊接性能良好、突出的機(jī)械性能和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于工業(yè)制造。將鈦合金與不銹鋼連接形成復(fù)合構(gòu)件，在航空航天、石油化工、機(jī)械電子、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備和機(jī)件中有廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)散焊是指在焊件熔點(diǎn)以下溫度，兩表面通過(guò)外加壓力相互接觸，發(fā)生蠕變和原子擴(kuò)散作用，從而使結(jié)合面孔隙閉合，實(shí)現(xiàn)冶金連接的一種焊接方式。其具有近凈成形的特點(diǎn)，適合于異種金屬間的焊接。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)cn102728937a公開(kāi)了一種鈦合金與奧氏體不銹鋼異種金屬的焊接方法，該焊接方法包括以下步驟：經(jīng)打磨和裝配后的鈦合金與奧氏體不銹鋼工件在施焊之前預(yù)熱至350℃以上；在氬氣保護(hù)下進(jìn)行鈦合金與不銹鋼脈沖鎢極氬弧焊的焊接。該方法所得焊縫殘余應(yīng)力較高，脆性金屬化合物大量存在，不利于獲得性能穩(wěn)定的焊接接頭。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)cn103192195a公開(kāi)了一種鈦合金與不銹鋼電子束焊接方法，該方法采用釩層和銅鉻合金層作為電子束焊接填充材料，銅鉻合金包含未氧化的銅粉、鉻粉、鎳粉和鈦粉，將這些粉末在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨混料，然后在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)熱壓燒結(jié)成形，制備成銅鉻合金板。從銅鉻合金板及釩鑄錠上切取合適厚度作為填充層，采用雙道焊接工藝進(jìn)行電子束焊接。該焊接方法實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的有效連接，但存在工件尺寸限制，步驟繁瑣，需多次焊接，容易形成較大的焊接殘余應(yīng)力等缺點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的鈦合金與不銹鋼焊接性能不佳的不足，提供一種鈦合金與不銹鋼異種金屬擴(kuò)散焊方法。針對(duì)常用的氬弧焊、電子束焊工藝的局限性，提供異種金屬擴(kuò)散焊接方法，利用雙過(guò)渡金屬層擴(kuò)散連接，優(yōu)化鈦合金與不銹鋼之間的焊接質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種鈦合金與不銹鋼異種金屬擴(kuò)散焊方法，具體步驟如下：一種鈦合金與不銹鋼的異種金屬擴(kuò)散焊方法，具體步驟如下：試樣表面清理步驟：對(duì)鈦合金與不銹鋼待焊表面進(jìn)行打磨并拋光，使其粗糙度ra≤1.0μm,從而促進(jìn)待焊表面的良好接觸；由于鈦合金與銅箔表面容易形成氧化膜,不利于擴(kuò)散過(guò)程中原子的擴(kuò)散,同時(shí),氧原子的引入會(huì)弱化焊接質(zhì)量,因此,需采用氫氟酸及硝酸的混合溶液，去除鈦合金表面氧化膜；采用h2so4溶液，去除銅箔表面氧化膜；將打磨后的試樣、銅箔及鈮箔放入丙酮中超聲清洗10～15min，用酒精擦拭待焊表面，去除表面油污等殘留,冷風(fēng)吹干，得到清理后的鈦合金、不銹鋼、銅箔和鈮箔；試樣疊放步驟：將試樣表面清理步驟的鈦合金、不銹鋼、銅箔和鈮箔交替疊放；放置時(shí)，順序?yàn)殁伜辖?鈮箔-銅箔-不銹鋼或不銹鋼-銅箔-鈮箔-鈦合金,即鈦合金需與鈮箔相接觸,不銹鋼需與銅箔相接觸,鈦合金與不銹鋼位于箔片兩側(cè)；焊接步驟：將疊放好的試樣置于真空熱壓爐上壓頭和下壓頭之間，需保持試樣與壓頭間良好的軸向?qū)χ行?，通過(guò)上壓頭對(duì)待焊試樣施加預(yù)壓力15～30mpa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至5×10-1pa以下；以5-20℃/min的速率升溫，將爐溫升至一定溫度后，進(jìn)行初次保溫保壓，促進(jìn)鈦合金-鈮箔-銅箔-不銹鋼之間界面接觸；然后降低壓力，升溫至擴(kuò)散焊接溫度，進(jìn)行二次保溫保壓；保溫保壓結(jié)束后，卸壓，先緩冷，然后隨爐冷卻。本發(fā)明采用兩次保溫保壓，有利于界面閉合，并防止試樣變形；采用過(guò)渡層可實(shí)現(xiàn)鈦合金與鈮箔之間、銅箔與不銹鋼之間形成固溶體，無(wú)脆性金屬間化合物生成，有助于得到塑性接頭；本發(fā)明通過(guò)采用焊后緩冷的方法，有助于消除了界面焊接應(yīng)力，提高鈦合金與不銹鋼復(fù)合構(gòu)件的力學(xué)性能。通過(guò)本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單、高效，對(duì)工件形狀尺寸要求較少，能夠廣泛的應(yīng)用于鈦合金與不銹鋼之間的焊接。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，所述銅箔和鈮箔的純度大于98wt％，選用銅箔和鈮箔作為過(guò)渡層可以更好的實(shí)現(xiàn)鈦合金與不銹鋼的焊接，因?yàn)殂~箔和鈮箔具有優(yōu)良的塑性且鈦合金與鈮箔之間、銅箔與不銹鋼之間均可形成固溶體，無(wú)脆性金屬間化合物生成，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的焊接效果，更優(yōu)選情況下，銅箔和鈮箔純度大于99.9wt％。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，所述銅箔的厚度為10～40μm，鈮箔的厚度為20～50μm。該厚度下的銅箔與可以保障銅-不銹鋼界面、銅-鈮界面和鈮-鈦合金界面形成足夠厚度的固溶帶且剩余的金屬可以阻止鐵元素與鈮元素、鈦元素與銅元素聚集，優(yōu)選的，銅箔的厚度為20～35μm，鈮箔的厚度為25～40μm。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，初次保溫保壓時(shí)，保溫溫度為600～800℃，壓力為10～50mpa，保溫時(shí)間為20～60min。通過(guò)較低溫度施加較高壓力可實(shí)現(xiàn)界面孔隙閉合，且不使工件變形。優(yōu)選的，初次保溫溫度為700～800℃，壓力為25～35mpa，保溫時(shí)間為20～40min。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，二次保溫保壓時(shí)，保溫溫度為800～1000℃，壓力為5～20mpa，保溫時(shí)間為20～150min。優(yōu)選的，擴(kuò)散焊保溫溫度800～900℃，保溫保壓時(shí)間為20～90min。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，保溫結(jié)束后，緩冷速率為3-20℃/min，優(yōu)選控制緩冷降溫速率為5℃/min，緩冷結(jié)束溫度為400～600℃。冷卻過(guò)程中，鈦合金與不銹鋼膨脹系數(shù)不同，較慢的冷卻速度可以減小熱脹冷縮不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力。但是，當(dāng)爐溫降低到600℃后，爐內(nèi)降溫速率緩慢，可直接采取爐冷。優(yōu)選的，緩冷結(jié)束溫度為500～600℃。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：(1)、本發(fā)明采用兩次保溫保壓，有利于界面閉合，并防止試樣變形。(2)、本發(fā)明所用過(guò)渡層可實(shí)現(xiàn)鈦合金與鈮箔之間、銅箔與不銹鋼之間形成固溶體，無(wú)脆性金屬間化合物生成，有助于得到塑性接頭。(3)、本發(fā)明通過(guò)采用焊后緩冷的方法，有助于消除了界面焊接應(yīng)力，提高鈦合金與不銹鋼復(fù)合構(gòu)件的力學(xué)性能。(4)、本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單、高效，對(duì)工件形狀尺寸要求較少，能夠廣泛的應(yīng)用于鈦合金與不銹鋼之間的焊接。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散焊所用的裝卡結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例8擴(kuò)散焊截面金相顯微組織圖，其中左側(cè)是不銹鋼，右側(cè)為鈦合金；圖3為實(shí)施例8中拉伸試樣斷裂形貌圖；其中1為上壓頭，2為鈦合金，3為銅箔，4為不銹鋼，5為墊塊(包括上墊塊和下墊塊)，6為下壓頭，7為鈮箔，8為熱電偶。具體實(shí)施方式下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本
發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明在焊接過(guò)程中，需要調(diào)整真空和壓力，其具體設(shè)備如圖1所述，包括上壓頭1、墊塊5(包括上墊塊和下墊塊)、下壓頭6和熱電偶8。通過(guò)上壓頭1和下壓頭6可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接部件加壓。其中熱電偶8用于加熱升溫。整個(gè)設(shè)備應(yīng)當(dāng)處于可抽真空環(huán)境中?？傊?，只要能夠調(diào)整溫度，壓強(qiáng)和真空度的都可以，這只是一個(gè)示范例子。下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本
發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實(shí)施例中涉及的鈦合金和不銹鋼由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所提供，銅箔和鈮箔購(gòu)于北京中金研新材料科技有限公司。實(shí)施例1對(duì)tc4鈦合金與316l不銹鋼待焊表面進(jìn)行打磨并拋光，使其粗糙度ra≤1.0μm；采用氫氟酸及硝酸的混合溶液，去除鈦合金表面氧化膜；并采用h2so4溶液，去除銅箔表面氧化膜；將打磨后的試樣，20μm銅箔及40μm鈮箔放入丙酮中超聲清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷風(fēng)吹干，得到清理后的鈦合金、不銹鋼、銅箔和鈮箔。將所得表面清理后的鈦合金、不銹鋼、銅箔和鈮箔按鈦合金/鈮箔/銅箔/不銹鋼依次疊放，或不銹鋼/銅箔/鈮箔/鈦合金依次疊放，使用圖1中所示的真空熱壓設(shè)備進(jìn)行壓制。在壓制的過(guò)程中，需保持試樣與壓頭間良好的軸向?qū)χ行裕ㄟ^(guò)上壓頭對(duì)待焊試樣施加預(yù)壓力20mpa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至(2～5)×10-1pa；以10℃/min的速率升溫，將爐溫升至700℃，加壓至40mpa，進(jìn)行初次保溫保壓40min，促進(jìn)鈦合金/鈮箔/銅箔/不銹鋼之間界面接觸；然后降低壓力至10mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度850℃，進(jìn)行二次保溫保壓90min；保溫保壓結(jié)束后，卸壓，先以5℃/min的速率緩冷至600℃，然后隨爐冷卻，得到tc4鈦合金與316l不銹鋼的復(fù)合構(gòu)件。實(shí)施例2采用與實(shí)施例1相同的工藝進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的焊接。除降低壓力至10mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度870℃，進(jìn)行二次保溫保壓90min；其他條件與實(shí)施例1一樣。實(shí)施例3采用與實(shí)施例1相同的工藝進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的焊接。除降低壓力至10mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度900℃，進(jìn)行二次保溫保壓90min；其他條件與實(shí)施例1一樣。實(shí)施里4采用與實(shí)施例1相同的工藝進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的焊接。除降低壓力至10mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度920℃，進(jìn)行二次保溫保壓90min；其他條件與實(shí)施例1一樣；實(shí)施例5采用與實(shí)施例1相同的工藝進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的焊接。除降低壓力至10mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度950℃，進(jìn)行二次保溫保壓90min外；其他條件與實(shí)施例1一樣；實(shí)施例1-5，在不同擴(kuò)散焊接溫度下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：表1鈦合金/不銹鋼焊接部件力學(xué)性能試樣抗拉強(qiáng)度(mpa)斷口性質(zhì)實(shí)施例1(850℃)357.28韌性實(shí)施例2(870℃)403.14韌性實(shí)施例3(900℃)468.69韌性實(shí)施例4(920℃)281.29韌脆結(jié)合實(shí)施例5(950℃)52.71脆性由表1結(jié)果可知，當(dāng)采用本發(fā)明的不銹鋼和鈦合金的焊接方案進(jìn)行焊接連接的時(shí)候，二次保溫溫度對(duì)焊接接頭強(qiáng)度及性質(zhì)有較大影響，溫度過(guò)低，界面擴(kuò)散不充分，難以形成良好的冶金結(jié)合；溫度偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致銅箔熔化，在焊接界面處形成大量脆性金屬間化合物，弱化焊接質(zhì)量。連接處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與焊接溫度之間有著顯著的聯(lián)系，優(yōu)選溫度為900℃。實(shí)施例6對(duì)tc4鈦合金與316l不銹鋼待焊表面進(jìn)行打磨并拋光，使其粗糙度ra≤1.0μm；采用氫氟酸及硝酸的混合溶液，去除鈦合金表面氧化膜；并采用h2so4溶液，去除銅箔表面氧化膜；將打磨后的試樣，25μm銅箔及30μm鈮箔放入丙酮中超聲清洗10min，用酒精擦拭待焊表面，冷風(fēng)吹干，得到清理后的鈦合金、不銹鋼、銅箔和鈮箔。將所得表面清理后的鈦合金、不銹鋼、銅箔和鈮箔按鈦合金/鈮箔/銅箔/不銹鋼依次疊放，或不銹鋼/銅箔/鈮箔/鈦合金依次疊放，使用圖1中所示的真空熱壓設(shè)備進(jìn)行壓制。在壓制的過(guò)程中，需保持試樣與壓頭間良好的軸向?qū)χ行?，通過(guò)上壓頭對(duì)待焊試樣施加預(yù)壓力20mpa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至(2～5)×10-1pa；以10℃/min的速率升溫，將爐溫升至750℃，加壓至30mpa，進(jìn)行初次保溫保壓30min，促進(jìn)界面接觸；然后降低壓力至5mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度900℃，進(jìn)行二次保溫保壓60min；保溫保壓結(jié)束后，卸壓，先以5℃/min的速率緩冷至600℃，然后隨爐冷卻，得到tc4鈦合金與316l不銹鋼的復(fù)合構(gòu)件。實(shí)施例7-10采用與實(shí)施例6相同的工藝進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的焊接。除降低壓力至5mpa，升溫至擴(kuò)散焊接溫度900℃，進(jìn)行二次保溫保壓分別30min、90min、120min、150min外，其他條件與實(shí)施例6一樣。實(shí)施例通過(guò)控制二次保溫保壓時(shí)間，設(shè)置多個(gè)保溫時(shí)間作為比較例進(jìn)行研究，結(jié)果如下。表2鈦合金/不銹鋼焊接部件力學(xué)性能試樣抗拉強(qiáng)度(mpa)斷口性質(zhì)實(shí)施例6(60min)242.89韌性實(shí)施例7(30min)176.39韌性實(shí)施例8(90min)489.76韌性實(shí)施例9(120min)330.80韌脆結(jié)合實(shí)施例10(150min)288.74脆性由表2結(jié)果可知，當(dāng)采用本發(fā)明的不銹鋼和鈦合金的焊接方案進(jìn)行焊接連接的時(shí)候，二次保溫時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量具有顯著影響。隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，焊件抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)。圖2為實(shí)施例8擴(kuò)散焊截面金相顯微組織圖，其中左側(cè)是不銹鋼，右側(cè)為鈦合金。隨焊接時(shí)間延長(zhǎng)，界面間原子擴(kuò)散程度增加。同時(shí)，在鈮與鈦合金界面形成黑色β相過(guò)渡，促進(jìn)了界面結(jié)合，從而提高焊接強(qiáng)度。圖3為實(shí)施例8中拉伸試樣斷裂形貌圖，斷面由韌窩組成，實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的韌性連接。但是，當(dāng)焊接時(shí)間超過(guò)90min后，原子擴(kuò)散距離進(jìn)一步增加，導(dǎo)致界面逐漸形成脆性相，弱化接頭焊接強(qiáng)度。通過(guò)保溫90min，可實(shí)現(xiàn)接頭中無(wú)脆性化合物生成，也無(wú)氣孔和裂紋等缺陷產(chǎn)生，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)489.76mpa且呈現(xiàn)韌性斷裂。實(shí)施例11-12采用與實(shí)施例6相同的焊接步驟進(jìn)行，所不同的是，二次保溫時(shí)間定為90min，采取多個(gè)不同厚度的銅箔和鈮箔，選用的組合有銅箔25μm和鈮箔30μm、、銅箔30μm和鈮箔50μm、銅箔10μm和鈮箔20μm，比較不同中間層厚度對(duì)鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散焊接的影響，結(jié)果如下。表3鈦合金/不銹鋼焊接部件力學(xué)性能試樣抗拉強(qiáng)度(mpa)斷口性質(zhì)實(shí)施例8(銅箔25μm、鈮箔30μm)489.76韌性實(shí)施例11(銅箔30μm、鈮箔50μm)377.47韌性實(shí)施例12(銅箔10μm、鈮箔20μm)252.94韌脆結(jié)合由表3記載的情況，可知當(dāng)采用本發(fā)明的不銹鋼和鈦合金的焊接方案進(jìn)行焊接連接的時(shí)候，復(fù)合中間層的厚度選擇對(duì)于焊接件的力學(xué)性能有較大的影響。厚度較薄時(shí)，經(jīng)擴(kuò)散焊接后無(wú)剩余金屬箔存在，不利于界面處焊接應(yīng)力釋放，無(wú)法阻止雜質(zhì)元素聚集，從而削弱焊接強(qiáng)度。當(dāng)金屬箔厚度較大時(shí)，剩余過(guò)多的金屬箔片成為界面薄弱區(qū)域，在外部載荷作用下首先發(fā)生斷裂。所以，優(yōu)選銅箔厚度為25μm、鈮箔厚度為30μm。本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。當(dāng)前第1頁(yè)12