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钛合金与不锈钢脉冲加压扩散连接工艺及界面结构研究

袁新建  
【摘要】: 本文采用脉冲加压扩散连接工艺对TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢进行了直接扩散连接和加镍中间层扩散连接试验,并对工艺参数进行了优化。借助金相观察、显微硬度测试、扫描电镜观察、能谱分析、X射线衍射等分析手段研究了钛合金与不锈钢接头界面组织结构和拉伸断口物相组成,系统分析了连接工艺参数、组织结构与接头强度三者之间的关系。研究了钛合金与不锈钢接头界面反应层形成过程和机理;并对扩散连接接头界面接触应力进行了分析,模拟了扩散连接过程及其过程中应力的变化情况。 优化和完善了钛合金与不锈钢脉冲加压扩散连接工艺。得到了优化的工艺条件为:连接温度T=825℃、脉冲压力P=8~50MPa、脉冲次数N=30次、脉冲频率f=0.5Hz、脉冲前保温时间t1=0s、脉冲后保温时间t2=120s,在此工艺下得到的接头强度达到321MPa,连接用时仅为180s。并对连接界面结构进行了系统的分析。结合界面结构形成机制发现,连接界面形成了γ-Fe/σ相/Fe2Ti/FeTi/β-Ti/α-Ti连续过渡的层状结构;结合拉伸断口剥层试验,通过断裂机制的微观分析,拉伸断裂发生在Fe-Ti金属间化合物与β-Ti层之间。 采用厚度为13μm镍箔作中间层对钛合金与不锈钢进行了脉冲加压扩散连接。当连接温度T=875℃、脉冲压力P=8~50MPa、脉冲次数N=30次、脉冲频率f=0.5Hz、脉冲前保温时间t1=0s、脉冲后保温时间t2=120s时,得到的接头强度达到334MPa,连接用时仅为180s。并对连接界面结构进行了系统的分析。结合界面结构形成机制,连接界面形成了γ-Fe/σ相/Fe-Ni固溶体/纯Ni/Ni-Ti金属间化合物/β-Ti/α-Ti连续过渡的层状结构。结合断口剥层分析,通过断裂机制的微观分析,拉伸断裂发生在Fe-Ni固溶体区与Ni-Ti金属间化合物和β-Ti区之间。 采用纳米镀镍作中间层对钛合金与不锈钢脉冲加压扩散连接,接头强度达到175MPa;通过对拉伸断口的观察和分析发现,断裂主要发生在钛合金与镍中间层的界面附近;通过扫描电镜发现,镀镍层与不锈钢基体结合紧密;通过对镀镍层的表面分析发现,镀镍层表面粗糙度较大,使得镀镍中间层与钛合金的结合界面紧密接触较困难。 对脉冲加压扩散连接接头界面应力和连接过程进行了分析。建立了异种材料脉冲加压扩散连接接头界面应力及摩擦应力的分布模型。通过对脉冲加压扩散连接变形及应力变化的模拟,分析了扩散连接过程及连接过程中的应力变化情况,很好的说明了拉伸断口外侧存在未焊合的原因。 对脉冲加压相变超塑性扩散连接工艺进行了尝试,得到此工艺下的接头强度


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