保温时间对316L不锈钢与TC4钛合金扩散焊组织与性能的影响

 钛合金是一种密度低、比强度高、高温强度好、韧性好、熔点高的轻金属，且已形成致密而坚固的氧化膜而具有优良的耐腐蚀性能，常用于航空航天、石油、化工等领域。但其价格昂贵，成型性及焊接性较差，限制了其广泛使用。不锈钢是常用的结构材料，具有良好的耐腐蚀性和耐久性、良好的加工性能、优良的耐高温性能和低温韧性、抗冲击性能好、循环利用简单等特点。因此，将不锈钢与钛合金进行异种金属连接，可以实现性能上的综合化，并节约钛合金资源、降低经济成本。 不锈钢与钛合金的连接属于异种金属的焊接，其焊接性受到异种金属材料物理、化学性能差异的影响。母材间熔点、密度、线膨胀系数和导热率的差异，容易导致焊接接头形成组织不均匀及较大的焊接热应力。此外，钛与铁、铬、镍之间互溶性差，容易在焊缝形成多种脆性金属间化合物，弱化焊缝性能。 扩散焊是一种以固态扩散为基础的连接技术，由于其热梯度影响小，只产生有限的宏观变形、焊接尺寸公差小、结构不均匀性小，被广泛地用于异种焊接，尤其是物化性能差异较大的材料。 成都工业学院材料学院的研究者研究不同保温时间对钛合金与不锈钢扩散焊接接头组织和性能影响。通过光学显微镜、扫描电镜对焊接接头进行物相组织分析，测试焊接接头的显微硬度、拉伸强度等分析其力学性能，并对其拉伸断口进行分析，总结不锈钢和钛合金异种焊接接头形成机理。 焊接母材为Φ30mm×25mm的TC4钛合金和316L不锈钢圆柱体，待焊表面先用240号～1000号金相砂纸打磨，然后丙酮超声清洗10min，用酒精擦拭、吹干。扩散焊接使用真空热压炉进行，当炉内真空度低于1×10-1Pa后，以10℃/min的速度升温，当温度升高到750℃后，施加压力30MPa，保温30min。保温时间结束后，炉冷至室温。研究结果表明： （1）不锈钢与钛合金在900℃下直接进行扩散焊接，难以得到较好的性能。随保温时间延长接头强度逐渐降低，在保温120min时，得到最高屈服强度为43.01MPa； （2）焊缝界面处主要形成α-Ti、β-Ti、FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti、Fe2Ti4O、χ等金属间化合物相，界面处，由钛合金侧到不锈钢侧依次为：针状魏氏体区域、β-Ti区、脆性金属间化合物区，随着保温时间延长，脆性相含量逐渐增多； （3）焊缝区域显微硬度明显高于母材，为不均匀过渡区域。断裂发生在脆性化合物区，断口呈现河流花样，为脆性断裂。