一種適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于鈦-鋼異種金屬的梯度接頭。采用V-Cu基梯度合金作為鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，其中V-Cu基梯度合金C1、C2、C3由多種金屬粉末按照不同比例混合而成的膨脹系數(shù)梯度匹配的混合粉末組成。本發(fā)明采用成分及線膨脹系數(shù)梯度過渡的混合粉末作為中間層，可以有效防止鈦和鋼直接連接時成分突變及膨脹系數(shù)差異大所引起熱應(yīng)力和相變應(yīng)力導致的脆性相開裂、低熱疲勞性能等問題；通過調(diào)整混合粉末成分及其分布，實現(xiàn)鈦元素與鐵元素的隔離、減少脆性相的形成、優(yōu)化脆性相分布，同時也可通過微量合金元素的添加改善脆性相塑韌性。
【專利說明】一種適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬加工領(lǐng)域，具體涉及一種適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金與不銹鋼之間的物理化學性能差異特別大，獲得良好的連接接頭有很大的難度。鈦合金與不銹鋼很難實現(xiàn)直接焊接連接。目前，國內(nèi)外熔焊和固相焊連接鈦-鋼異種金屬所采用的中間過渡層多為單一或者復合的純金屬箔片。其中釬焊連接鈦-鋼異種金屬多采用銀基釬料。單一或者復合的純金屬箔片過渡層盡管能實現(xiàn)鈦-鋼異種金屬的連接，但是接頭的過渡純金屬區(qū)域強度不高，當金屬箔片過薄時，過渡金屬易不能很好地隔絕鈦元素與鐵元素的結(jié)合。此外，復合的純金屬箔片過渡層的添加，相當于接頭增加了一個或多個成分不連續(xù)分布的界面層，對接頭強度及疲勞性能等帶來不利影響。
[0003]盡管國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)很多采用過渡層的辦法連接鈦-鋼異種金屬的事例，但未曾有人明確提出鈦-鋼異種金屬連接中間過渡層的設(shè)計原理和方法。
[0004]放電等離子燒結(jié)技術(shù)(Spark Plasma Sintering或SPS)也稱等離子活化燒結(jié)(Plasma Activ ated Sintering或PAS)，是近年來發(fā)展的新技術(shù),可以在較低溫度下實現(xiàn)快速燒結(jié)致密材料，可用來制備納米塊體材料、非晶塊體材料、復合材料、梯度材料等。由于梯度材料的組份是梯度變化的，各層的燒結(jié)溫度不同，利用傳統(tǒng)燒結(jié)方法難以一次燒成。具有不同成份配比的梯度坯料可在溫度梯度場中一次燒結(jié)成梯度材料。燒結(jié)時間一般僅幾分鐘。目前已取得良好燒結(jié)效果的梯度材料有:不銹鋼/Zr02系梯度材料；PSZ/Ti系梯度材料等。目前，放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)在異種材料連接領(lǐng)域，多采用加梯度過渡中間層實現(xiàn)異種材料的成型與連接。
[0005]黃彥吳偉朱祥華袁琪琢、俞健等人在專利201110286030.X “一種適用于異種金屬材料焊接的焊接結(jié)及其制備方法”中公開了一種適用于異種金屬材料焊接的焊接結(jié)及其制備方法。該焊接結(jié)的制備方法為粉末冶金法，根據(jù)異種金屬母材的材質(zhì)選擇金屬粉末，配制出異種金屬母材中主要元素含量呈梯度變化的兩種以上混合粉料，經(jīng)成型、熱處理和機械加工制得梯度結(jié)構(gòu)焊接結(jié)。該專利中所述接頭的設(shè)計未涉接頭設(shè)計原則，只考慮了成分的梯度變化，未考慮膨脹系數(shù)的梯度匹配。該專利限定了梯度材料中主要成分元素必須與母材中主要元素相同，這對于連接鈦-鋼異種金屬來說難以實現(xiàn)阻隔鐵、鈦形成Fe-Ti脆性金屬間化合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供一種鈦-鋼異種金屬燒結(jié)/焊接的連接方法和適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，采用V-Cu基梯度合金作為鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，其中V-Cu基梯度合金Cl、C2、C3由多種金屬粉末按照不同比例混合而成的膨脹系數(shù)梯度匹配的混合粉末組成，Cl、C2、C3中釩粉的含量分別是50%~60%、25%~30%、10%~20% ;C1、C2、C3中銅粉的含量分別為25%~35%、50%~60%、65%~75% ;C1、C2、C3中鎳、鋁、鉻金屬粉末的含量均為3%~10%，C1、C2、C3 膨脹系數(shù)分別為:9.5 ~10.5Χ10-6.K'11.5 ~12.5X10' K'13.5 ~14.3X10'K'
[0008]本發(fā)明所述的與V-Cu基梯度合金粉末連接的鈦為鈦或其合金；與V-Cu基梯度合金粉末連接的鋼為不銹鋼。
[0009]一種鈦-鋼異種金屬連接燒結(jié)/焊接方法，首先將鈦或其合金置于模具中并預加壓、其次依次將V-Cu基梯度合金粉末C1、C2、C3逐一置于模具中并預加壓，再將不銹鋼置于模具中并預加壓，最后將模具置于燒結(jié)設(shè)備中進行放電等離子燒結(jié)成型。
[0010]本發(fā)明所述的放電等離子燒結(jié)工藝中燒結(jié)溫度為825°C — 950°C，燒結(jié)壓力為40-50MPa，保溫時間為 10_15min。
[0011]本發(fā)明所述的鈦或其合金、不銹鋼為塊體或粉末。
[0012]本發(fā)明所述的鈦或其合金粉末、V-Cu基梯度合金粉末和不銹鋼粉末粒度在300目到500目之間。
[0013]本發(fā)明所述的鈦或其合金粉末和不銹鋼粉末均經(jīng)過球磨處理，球料質(zhì)量比為10:1，轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時間為6h。
[0014]本發(fā)明所述的V-Cu基梯度合金粉末中除低熔點金屬粉末外其它各金屬粉末均經(jīng)過球磨處理，球料質(zhì)量比為10:1,轉(zhuǎn)速為200r/min,球磨時間為6h。
[0015]本發(fā)明所述的模具采 用IS0-63石墨棒加工而成的中空筒狀。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著特點是:第一，本發(fā)明基于提高鈦-鋼異種金屬連接的抗熱疲勞性能及強度的目的，首次提出了成分和膨脹系數(shù)梯度過渡的鈦-鋼異種金屬連接中間過渡層的設(shè)計方法。本發(fā)明首次提出了將V-Cu基梯度合金粉末作為鈦-鋼異種金屬連接的過渡中間層。第二，采用成分及線膨脹系數(shù)梯度過渡的混合粉末作為中間層，可以有效防止鈦和鋼直接連接時成分突變及膨脹系數(shù)差異大所引起熱應(yīng)力和相變應(yīng)力導致的脆性相開裂等問題，從而解決了鈦及鈦合金與不銹鋼可連接性差、接頭強度低、熱疲勞壽命低、焊接工藝難度大、接頭可靠性差等難題。第三，加混合粉末進行鈦及鈦合金與不銹鋼的連接，可通過調(diào)整粉末成分及其分布，實現(xiàn)鈦元素與鐵元素的隔離、減少脆性相的形成、優(yōu)化脆性相分布，同時也可通過微量合金元素的添加改善脆性相塑韌性。因此采用該技術(shù)進行鈦-鋼的連接結(jié)合了固相焊和粉末成分可調(diào)的優(yōu)點，既避免熔焊條件下過多的鈦元素與鐵元素的結(jié)合、晶粒的長大，又可以通過粉末中合金元素的作用，抑制脆性相形成元素之間的互擴散、改善脆性相塑韌性、最大限度的減少合金成分的偏析，消除粗大、不均勻的鑄造組織。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0018]實施例1
[0019]梯度接頭為V-Cu基梯度合金，其中釩金屬及銅金屬為主要成分。鈦或其合金采用TC4鈦合金塊體、不銹鋼采用316L不銹鋼塊體，TC4鈦合金塊體、316L不銹鋼塊體與V-Cu基梯度合金的膨脹系數(shù)呈梯度變化匹配。為了使V-Cu基梯度合金兩端與TC4鈦合金塊體、316L不銹鋼塊體連接性佳，V-Cu基梯度合金由多種金屬粉末按照不同比例混合而成的膨脹系數(shù)梯度匹配的混合粉末組成，按照以下梯度設(shè)置為:C1+C2+C3，其中Cl混合粉末與TC4鈦合金塊體一側(cè)相連，C3混合粉末與316L不銹鋼塊體一側(cè)相連，Cl混合粉末成分為:鎳5%、釩53.0%、銅32.0%、鋁5%、鉻5% ；C2混合粉末成分為:鎳5%、釩28.0%、銅57.0%、鋁5%、鉻5% ；C3混合粉末成分為:鎳5%、釩13.0%、銅72.0%、鋁5%、鉻5%。
[0020]上述混合粉末膨脹系數(shù)梯度匹配的計算采用Turner經(jīng)過模型分析后提出的計算多晶體、多相體或復合材料體平均線膨脹系數(shù)的經(jīng)驗方程。根據(jù)計算所得20°C—100°C的理論線膨脹系數(shù)為 線膨脹系數(shù)為 線膨脹系數(shù)為16X10' K'
[0021]將TC4鈦合金塊體、316L不銹鋼塊體先進行機械打磨、除銹、除污處理。
[0022]混合粉末的梯度粉末C1、C2、C3先進行球磨處理，步驟為:首先除低熔點金屬鋁之外的其它各梯度粉末進行球磨混合，球料質(zhì)量比為10:1，轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時間為6h ；其次向各梯度粉末中加入低熔點金屬鋁后進行機械均勻混合。
[0023] 將TC4鈦合金塊體、混合粉末、316L不銹鋼塊體按照梯度關(guān)系依次裝進IS0-63石墨棒加工而成的中空筒狀模具中，本發(fā)明中所用的預壓壓頭與模具的模腔口徑形狀大小相匹配，且端面平整，粉料裝模時，先裝TC4鈦合金塊體，再依次加入Cl混合粉末、C2混合粉末、C3混合粉末，且每加一次混合粉末需進行一次預加壓，最后加入316L不銹鋼塊體，預加壓后加蓋壓頭，進行放電等離子燒結(jié)制樣，燒結(jié)溫度為900°C，燒結(jié)壓力為45MPa，保溫時間為15min。所得燒結(jié)樣品致密度不低于90%，強度不低于450MPa。
[0024]實施例2
[0025]梯度接頭為V-Cu基梯度合金，其中釩金屬及銅金屬為主要成分。鈦或其合金采用Ti金屬粉末、不銹鋼采用316L不銹鋼粉末，Ti金屬粉末、316L不銹鋼粉末與V-Cu基梯度合金的膨脹系數(shù)呈梯度變化匹配。為了使V-Cu基梯度合金兩端與Ti金屬粉末、316L不銹鋼粉末連接性佳，V-Cu基梯度合金由多種金屬粉末按照不同比例混合而成的膨脹系數(shù)梯度匹配的混合粉末組成，按照以下梯度設(shè)置為:C1+C2+C3，其中Cl混合粉末與Ti金屬粉末一側(cè)相連，C3混合粉末與316L不銹鋼粉末一側(cè)相連，Cl混合粉末成分為:鎳5%、釩60%、銅25%、鋁5%、鉻5% ；C2混合粉末成分為:鎳5%、釩35%、銅50%、鋁5%、鉻5% ；C3混合粉末成分為:鎳5%、釩20%、銅65%、鋁5%、鉻5%。
[0026]上述混合粉末膨脹系數(shù)梯度匹配的計算采用Turner經(jīng)過模型分析后提出的計算多晶體、多相體或復合材料體平均線膨脹系數(shù)的經(jīng)驗方程。根據(jù)計算所得20°C _100°C的理論線膨脹系數(shù)為 Cl:9.8X10' K'C2:11.7X10' K'C3:13.5Χ10-6.1，Ti20°C — 100°C線膨脹系數(shù)為 .89X10' 3161^201: — 100°C線膨脹系數(shù)為 16X10' K'
[0027]將Ti金屬粉末、316L不銹鋼粉末事先通過球磨處理，球料質(zhì)量比為10:1，轉(zhuǎn)速為200r/min球磨時間為6h。
[0028]混合粉末的梯度粉末C1、C2、C3先進行球磨處理，步驟為:首先除低熔點金屬鋁之外的其它各梯度粉末進行球磨混合，球料質(zhì)量比為10:1，轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時間為6h ；其次向各梯度粉末中加入低熔點金屬鋁后進行機械均勻混合。
[0029]將Ti金屬粉末、混合粉末、316L不銹鋼粉末按照梯度關(guān)系依次裝進IS0-63石墨棒加工而成的中空筒狀模具中，本發(fā)明中所用的預壓壓頭與模具的模腔口徑形狀大小相匹配，且端面平整，粉料裝模時，先裝Ti金屬粉末，再依次加入Cl混合粉末、C2混合粉末、C3混合粉末，且每加一次混合粉末需進行一次預加壓，最后加入316L不銹鋼塊粉末，預加壓后加蓋壓頭，進行放電等離子燒結(jié)制樣，燒結(jié)溫度為850°C，燒結(jié)壓力為40MPa，保溫時間為12min。所得燒結(jié)樣品致密度不低于85%，強度不低于250MPa。
[0030]實施例3
[0031]梯度接頭為V-Cu基梯度合金，其中釩金屬及銅金屬為主要成分。鈦或其合金采用TC4鈦合金塊體、不銹鋼采用304SS不銹鋼塊體，TC4鈦合金塊體、304SS不銹鋼塊體與V-Cu基梯度合金的膨脹系數(shù)呈梯度變化匹配。為了使V-Cu基梯度合金兩端與TC4鈦合金塊體、304SS不銹鋼塊體連接性佳，V-Cu基梯度合金由多種金屬粉末按照不同比例混合而成的膨脹系數(shù)梯度匹配的混合粉末組成，按照以下梯度設(shè)置為:C1+C2+C3，其中Cl混合粉末與TC4鈦合金塊體一側(cè)相連，C3混合粉末與316L不銹鋼塊體一側(cè)相連，Cl混合粉末成分為:鎳5%、釩53.0%、銅32.0%、鋁5%、鉻5% ；C2混合粉末成分為:鎳5%、釩28.0%、銅57.0%、鋁5%、鉻5% ；C3混合粉末成分為:鎳5%、釩13.0%、銅72.0%、鋁5%、鉻5%。
[0032]上述混合粉末膨脹系數(shù)梯度匹配的計算采用Turner經(jīng)過模型分析后提出的計算多晶體、多相體或復合材料體平均線膨脹系數(shù)的經(jīng)驗方程。根據(jù)計算所得20°C—100°C的理論線膨脹系數(shù)為 Cl:11.51Χ10-6.K' C2:13.0Χ10-6.K' C3:14.7Χ10-6.1，TC420°C—100°C線膨脹系數(shù)為7.89X10' !(-?！?^(^一^^^線膨脹系數(shù)為16X10' K'
[0033]將TC4鈦合金塊體、304SS不銹鋼塊體先進行機械打磨、除銹、除污處理。
[0034]混合粉末的梯度粉末C1、C2、C3先進行球磨處理，步驟為:首先除低熔點金屬鋁之外的其它各梯度粉末進行球磨混合，球料質(zhì)量比為10:1，轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時間為6h ；其次向各梯度粉末中加入低熔點金屬鋁后進行機械均勻混合。
[0035]將TC4鈦合金塊體、混合粉末、304SS不銹鋼塊體按照梯度關(guān)系依次裝進IS0-63石墨棒加工而成的中空筒狀模具中，本發(fā)明中所用的預壓壓頭與模具的模腔口徑形狀大小相匹配，且端面平整，粉料裝模時，先裝TC4鈦合金塊體，再依次加入Cl混合粉末、C2混合粉末、C3混合粉末，且每加一次混合粉末需進行一次預加壓，最后加入304SS不銹鋼塊體，預加壓后加蓋壓頭，進行放電等離子燒結(jié)制樣，燒結(jié)溫度為950°C，燒結(jié)壓力為45MPa，保溫時間為15min。所得燒結(jié)樣品致密度不低于98%，強度不低于300MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，其特征在于采用V-Cu基梯度合金作為鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，其中V-Cu基梯度合金C1、C2、C3由多種金屬粉末按照不同比例混合而成的膨脹系數(shù)梯度匹配的混合粉末組成，Cl、C2、C3中釩粉的含量分別是50% ~60%、25% ~30%、10% ~20% ;C1、C2、C3 中銅粉的含量分別為 25% ~35%、50% ~60%、65%~75% ;C1、C2、C3中鎳、鋁、鉻金屬粉末的含量均為3%~10%，C1、C2、C3膨脹系數(shù)分別為:9.5 ~10.5X10' K'11.5 ~12.5Χ10-6.K'13.5 ~14.3X10' K'
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，其特征在于所述的與V-Cu基梯度合金粉末連接的鈦為鈦及其合金；與V-Cu基梯度合金粉末連接的鋼為不銹鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于鈦-鋼異種金屬連接的梯度接頭，其特征在于所述的V-Cu基梯度合金的膨脹系數(shù)梯度匹配的計算采用Turner經(jīng)過模型分析后提出的計算多晶體、多相體或復合材料體平均線膨脹系數(shù)的經(jīng)驗方程。
【文檔編號】B22F3/14GK103480851SQ201310462467
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】周琦, 王克鴻, 孔見, 彭勇, 朱軍, 張海寧 申請人:江蘇爍石焊接科技有限公司