钛/钢连接方法的研究

摘 要：钛与钢的物理和结晶化学性能差异较大，直接连接时接头性能较差，焊接存在较大困难。采用钎焊或用适当的填充材料隔离固态钛与钢的熔化焊和压力焊，可缓解接头中金属间化合物与脆性相的生成，某种程度对接头性能有所改善。

关键词：钛 钢 连接 研究现状

中图分类号：TG406文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0091-01

钛金属有“未来金属”的美誉，它具有许多其它金属无法比拟的优点：密度小、强度高、耐腐蚀性及耐高温性能好、抗阻尼性能强，且无磁无毒等特点。钛已成为航空航天工业中不可缺少的结构材料，并正逐步为原子能、化工、造船、电子、电力、冶金、机械等部门所重视。

但钛难于提炼，是贵金属，限制了它的广泛应用。钢的价格低廉，具有良好的热电性能及力学性能，工程上常用钛-钢异种金属结构。然而钛和钢间的物理和结晶化学性能差异较大，钛与钢的连接过程中易产生较大的内应力，且连接过程中易生成大量的金属化合物及碳化物，致使焊缝变脆[1]，为钛与钢的焊接带来了较大的困难。因此，对钛与钢之间焊接性及连接方法的研究具有重大的理论意义和应用前景。

1 钛/钢的主要焊接方法

目前，应用于钛/钢连接的方法主要有熔化焊、压力焊和钎焊。

1.1 熔化焊

熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。

常规熔化焊方法焊接时，选择合适的添加材料或中间材料能在一定程度上改善接头的性能，但效果有限，这主要是常规熔化焊方法的热输入较大，难以控制金属间化合物的形成和生长。

李标峰[2]研究了TA5钛与1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接性，采用氩弧焊在不加焊丝的情况下进行焊接，试验结果显示，钛-铁的焊缝中产生了大量的TiFe、Fe2Ti脆性相及低熔点共晶组织，严重脆化焊缝，接头力学性能极差。在此基础上，李标峰[3]用锰青铜作中间填料所得的钛-铌-铜-钢接头的强度值在240～290 MPa范围内，断口位置分别在Ti-Nb界面处及Nb层。

1.2 压力焊

采用压力焊可以避免熔化焊时存在的问题。常用的连接方法包括扩散焊和爆炸焊。

目前，对于不锈钢与钛的直接扩散焊已有了大量的研究。M.Ghosh与 S.Chatterjee[4]利用直接扩散焊的方法对304奥氏体不锈钢与工业纯钛进行了连接，研究结果表明，该接头中产生了大量的金属间化合物脆性相，如Fe2Ti、FeTi和Fe2Ti4O等，接头的抗剪强度可达217 MPa。

周波等人[5]利用纳米镍粉作为中间层对TA7钛合金与1Crl8Ni9Ti不锈钢进行了扩散焊试验。纳米镍粉成功阻止了TA7钛合金与1Crl8Ni9Ti不锈钢之间的相互扩散，抑制了TiFe、Fe2Ti、TiC等脆性相的形成，在接头中形成了具有一定塑性的Ni-Ti型化合物。

马东康[6]等人对钛/钢爆炸焊接界面区形变特性进行了研究，分析了复合板的钢侧塑性变形层和钛侧绝热剪切线与焊接工艺参数之间的关系。发现，爆炸焊接造成接头中过大或过小的变形层都将导致界面内产生有害缺陷。

采用爆炸焊的方法是进行大面积复合板连接最有效的办法，但也存在变形量大、组织和性能不均匀等问题。工艺参数的控制也很严格。

1.3 钎焊

常用于钛/钢连接用的钎料主要有： Al基钎料、Pd基钎料、Ti-Zr基钎料和Ag基钎料四种。通过调整钎料中合金元素种类、配比及钎焊工艺参数，可控制接头界面处脆性相的产生量及形态分布，显著提高焊接接头的质量[7]。如在使用铝合金钎焊钛合金时，接头中生成Al3Ti等大量的金属间化合物，致使接头极脆，耐疲劳性和冲击强度很低，接头质量差。通过适当的合金化的方法控制接头组织，改善接头性能，如高纯铝钎料中添加0.8%的Si元素，可在钎焊钛的过程中显著减小金属间化合物的生长速度，减少金属间化合物Al3Ti的生成量[8]。

2 结语

由于钛与铁的物理及化学性能相差较大，应避免在熔化焊及压力焊的过程中钛与钢金属的直接接触，采用适当的填充材料隔离固态钛与钢进行焊接，可缓解接头中金属间化合物与脆性相的生成，某种程度对接头性能有所改善[9]。

参考文献

[1]陈满乾，刘亚芬.TA2/Q235B钛钢复合板的焊接[J].焊接生产应用，2007（8）：35-39.

[2]李标峰.钛与钢及钛复合钢板的焊接性研究（I）[J].材料开发与应用，2004，19（1）：4l-44.

[3]李标峰.钛与钢及钛复合钢板的焊接性研究（II）[J].材料开发与应用，2004，19（2）：45-46.

[4]Ghosh M，Chatterjee S.Characterization of transition joints of commercially pure titanium to 304 stainless steel[J].Materials Science and Technology，2002（48）：393-399.

[5]周波，邱绍宇.钛合金与不锈钢的纳米扩散焊接工艺探索[J].焊接技术，2004，33（1）：15-18.

[6]马东康，周金波.钛/钢爆炸焊接界面区形变特征研究[J].稀有金属材料与工程，1999，28（1）：26-29.

[7]李玉龙，杨瑾，禹业晓.钛及钛合金钎焊特点及现状[J].热加工工艺，2011，40（9）：120-136.

[8]高飞.钛及钛合金材料的焊接技术[J].化学工业建设，2006，28（4）：36-39.

[9]李玉龙，杨瑾，禹业晓.钛及钛合金钎焊特点及现状[J].热加工工艺，2011，40（9）：120-136.

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