专利名称：用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法。
背景技术：
随着技术的发展，对材料的综合性能提出了更高的要求，如高强度、耐 腐蚀性、导电性和导热性、高温强度、耐磨性以及降低成本等要求。单一金 属或合金通常难以保证同时拥有所需的一系列性能，这样的材料可以通过在 后续的加工中保持可靠连接的异种金属的复合接头来实现，其中尤以双金属 复合板的应用最为广泛。
钛及钛合金以其比强度高、耐高温、耐腐蚀而具有极大的应用价值，但 是由于冶炼困难使得其单位成本远高于常见的结构材料铝、镁、钢等，限制 了其进一步的应用。不锈钢是最常见的结构材料之一，虽然比强度和在核辐 射条件下的性能不如钛合金，但是其强度高，塑性较好，成本低，是应用最 为广泛的结构材料之一。
钛合金与不锈钢的复合接头能够发挥二者优异的综合性能，在航空航天、 核能、汽车、医疗和石油化工行业中有着广阔的应用前景。但是钛合金和不 锈钢的物理性能尤其是线膨胀系数存在较大的差异，因此在焊接的高温条件 下会形成较大的焊接应力，这就使得焊接时容易产生开裂的现象，而且二者
的熔点均在150(TC以上，属于难熔材料，在高温下二者容易反应形成硬度高、 脆性大的o相以及Fe-Ti金属间化合物导致接头脆化，使得接头的连接强度 急剧下降，焊接难度较大。
目前应用于钛合金与不锈钢的连接方法主要有钎焊、扩散焊、爆炸焊等 方法，但是对于核反应堆等应用领域中所使用的大尺寸的钛合金和不锈钢的 构件的连接来说，这些方法或者需要在真空条件下进行因而受到真空室尺寸 的限制，或者受到焊接场地的特殊要求的制约，都难以直接应用，所以在这 些应用领域中需要通过间接的方法来实现二者的连接，采用钛合金与不锈钢 的过渡接头可以很好的解决上述问题，从而方便、高效、高质量、低成本的
实现钛合金与不锈钢的大尺寸构件的连接，对焊接场地和焊接气氛没有特殊 的要求，从而可以在应用中取得很好的效果。
过渡接头是指在异种金属的焊接中，为解决异种金属焊接的困难而用别 的焊接方法制成的异种金属的中间过渡连接件。这种连接件由两种或多种金 属组成，它是用能够焊接这些不同材料的方法事先焊接而成，然后再将其两 端分别与各自相同的金属材料再焊接，从而形成一个完整的系统。
目前应用于钛合金与不锈钢焊接的过渡接头主要是爆炸焊接的过渡接 头，但是，这种爆炸焊接过渡接头存在下列问题
(1) 过渡接头的整体厚度和焊接板材的相对厚度受到较大限制，由于受 到方法自身的限制爆炸焊接对于薄板的焊接应用情况较好，但是对于厚板的 焊接较为困难，而且对两种材料的相对厚度有限制，基板不能太薄，覆板不 能太厚；
(2) 爆炸焊接时采用中间层材料的工艺过程较为复杂，通常需要二次爆 炸连接；
(3) 连接界面形成了界面波，在焊接过程中连接材料表面发生了强烈的 塑性变形，连接界面组织和性能不均匀，在腐蚀环境下应用容易开裂。
发明内容
本发明的目的是为解决现有爆炸焊接的过渡接头其爆炸焊接时采用中间 层材料的工艺过程较为复杂，通常需要二次爆炸连接，连接界面形成了界面 波，在焊接过程中连接材料表面发生了强烈的塑性变形，连接界面组织和性 能不均匀，在腐蚀环境下应用容易开裂的问题，提供一种用铌中间层的耐高 温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法。
本发明的制作方法按以下步骤实现 一、采用厚度为0.1 0.5mm的纯铌 箔作为中间层材料，钛合金板和不锈钢板的厚度分别为1 20mm，钛合金板 和不锈钢板的长度分别为100 1000mm，钛合金板和不锈钢板的宽度分别为 50 120mm; 二、焊前分别将钛合金板和不锈钢板的上下表面铣平；三、轧 制之前钛合金板、不锈钢板和铌箔都要进行酸洗，钛合金的酸洗液按重量比 由HF:H20=1:3~7混合而成，不锈钢的酸洗液按重量百分比HF5%~10%、 HNO310% 15°/。和H2075~85°/。混合而成，铌的酸洗液按重量比由HF:HN03=1:4~5混合而成；四、酸洗之后的板材按照钛合金-铌-不锈钢的顺 序叠放在一起构成三层金属板；五、将夹有纯铌箔的钛合金板和不锈钢板三 层金属板的任意一端钻孔用铆钉固定或者采用点焊的方法固定；六、将装配 好的试件在真空室中加热并轧制形成连接，轧制温度为800 1000。C，压縮率 为20%~35%，轧制速度为0.038~0.2m/s;七、轧后的试件在真空室中冷却至 20(TC以下后取出，将取出的轧制复合板加工成管状或者是板状，即获得所需 要的过渡接头。
铌在室温下具有良好的塑性，加工硬化不明显，高温塑性也很好。铌的 熔点为247(TC，在1093~1427"比强度最高，温度低于-200。C仍有良好的塑 性和加工性，是宇航优先选用的热防护材料和结构材料。
铌与a-Ti无限互溶，与卩-Ti有限互溶，不形成金属间化合物，铌与不锈 钢之间形成金属间化合物的速度比较慢，因此使用铌作为中间层材料能够很 好的实现钛合金与不锈钢的连接，而铜、镍与钛合金和不锈钢的互溶度均较 小。使用铌作为钛合金和不锈钢连接的中间层材料，可以使得制造的过渡接 头的连接强度较采用铜作为中间层材料时提高lOOMPa以上。
钛合金与不锈钢的过渡接头的应用主要是与钛合金、不锈钢分别进行焊 接，因此过渡接头最重要的性能指标就是在经历焊接热循环之后的强度，采 用铌作为中间层的钛合金与不锈钢的过渡接头的耐高温性能较采用铜或镍中 间层时有大幅度提高，在80(TC保温30分钟之后，采用铜中间层的过渡接头 沿界面开裂，强度为O，采用镍中间层的过渡接头的拉伸强度68.9 89.5MPa， 而采用铌中间层的过渡接头的强度314.5~340.6MPa，约是采用镍中间层的过 渡接头的强度的4倍。此外，铌的耐腐蚀性明显优于铜、镍，采用铌中间层 的过渡接头可以在腐蚀性环境下应用。
本发明的有益效果是1、通过本发明的方法制作的过渡接头其自身连接 强度高，抗拉强度可达400MPa以上；2、铌的高温强度高，耐腐蚀性在大多 数腐蚀环境下优于母材钛合金和不锈钢；3、过渡接头耐高温，在80(TC保温 30min后其抗拉强度高于300MPa; 4、使用过渡接头连接大尺寸的钛合金和 不锈钢构件可以采用TIG焊等操作方便、低成本的方法，焊接工艺简单，不 受场地限制，适用范围广；5、过渡接头连接界面处组织和性能比较均匀，基
本没有空洞和微裂纹等缺陷，能够在腐蚀环境下应用；6、过渡接头与钛合金 和不锈钢的焊接可以在大气环境下进行，不必在真空中进行，成本较低。 本发明制作的过渡接头其主要性能指标为
图1是钛合金板和不锈钢板之间由铌作中间层的结构示意图，图2是钛 合金管和不锈钢管之间由铌作中间层的结构示意图。图1中的附图标记1是 钛合金板，2是铌(中间层)，3是不锈钢板，图2中的附图标记4是钛合金 管，5是铌(管形中间层)，6是不锈钢管。
具体实施例方式
具体实施方式
一(参见图l)本实施方式的制作方法按以下步骤实现-一、采用厚度为0.1 0.5mm的纯铌箔作为中间层材料，钛合金板和不锈钢板 的厚度分别为l~20mm， 二者的相对厚度可以根据需要选择，钛合金板和不 锈钢板的长度分别为100 1000mm，钛合金板和不锈钢板的宽度分别为 50 120mm; 二、焊前分别将钛合金板和不锈钢板的上下表面铣平；三、轧 制之前钛合金板、不锈钢板和铌箔都要进行酸洗，钛合金的酸洗液按重量比 由HF:H20=1:3~7混合而成，不锈钢的酸洗液按重量百分比HF5% 10%、 1^0310% 15%和H2075~85%混合而成，铌的酸洗液按重量比由 HF:HNOfl:4 5混合而成，以去除连接表面的油污和影响连接的杂质；四、 酸洗之后的板材按照钛合金-铌-不锈钢的顺序叠放在一起构成三层金属板； 五、将夹有纯铌箔的钛合金板和不锈钢板三层金属板的任意一端钻孔用铆钉 固定或者采用点焊的方法固定，防止焊接过程中连接材料分离；六、将装配 好的试件在真空室中加热并轧制形成连接，轧制温度为800 100(TC，压縮率 为20%~35%，轧制速度为0.038~0.2m/s;七、轧后的试件在真空室中冷却至 20(TC以下后取出，将取出的轧制复合板加工成管状或者是板状，即获得所需
1、 过渡接头形式-
2、 过渡接头的连接界面的金属间化合物层的厚度
3、 过渡接头的总厚度
4、 过渡接头的抗拉强度
5、 过渡接头在80(TC保温30min后的抗拉强度
》400MPa;
^300MPa。
板(管);
要的过渡接头。
在钛合金与不锈钢的轧制连接之前，实验所用板材用电火花线切割的方 法切割成所需尺寸，用铣床将板材的上下表面铣平，在板的前端钻孔，用来 放置起固定上下板作用的铆钉，从而防止轧制过程中轧制板材的分离。
为了清除连接材料表面的氧化膜和吸附的杂质需要对所用板材及中间层 材料铌箔进行酸洗。酸洗之后的板材叠放在一起构成三层金属板，板的端部 用铆钉固定，使用液压式万能试验机将铆钉压入试件，使铆钉与板的表面相 平，铆钉被压縮后截面积膨胀从而固定轧制焊接的板材，避免其在轧制过程 中在轧制力的作用下分开。
上述制作的过渡接头是板状的，但也可以是片状的或者是管状(如图2 所示)的。
具体实施方式
二(参见图1)本实施方式的步骤一中，纯铌箔的厚度为
0.2 0.4mm 。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三(参见图1)本实施方式的步骤一中，纯铌箔的厚度为 0.3mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四(参见图1)本实施方式的步骤一中，钛合金板和不锈 钢板的厚度分别为2~19mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五(参见图1)本实施方式的步骤一中，钛合金板和不锈 钢板的厚度分别为10mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六(参见图1)本实施方式的步骤一中，钛合金板和不锈 钢板的长度分别为U0 990mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七(参见图1)本实施方式的步骤一中，钛合金板和不锈 钢板的长度分别为500mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八(参见图1)本实施方式的步骤一中，钛合金板和不锈 钢板的宽度分别为60 110mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九(参见图1)本实施方式的步骤一中，钛合金板和不锈 钢板的宽度分别为80mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十(参见图1)本实施方式的步骤六中，轧制温度为900 'C。其它与具体实施方式
一相同。
权利要求
1、一种用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法，其特征在于过渡接头的制作方法按以下步骤实现一、采用厚度为O.1～0.5mm的纯铌箔作为中间层材料，钛合金板和不锈钢板的厚度分别为1～20mm，钛合金板和不锈钢板的长度分别为100～1000mm，钛合金板和不锈钢板的宽度分别为50～120mm；二、焊前分别将钛合金板和不锈钢板的上下表面铣平；三、轧制之前钛合金板、不锈钢板和铌箔都要进行酸洗，钛合金的酸洗液按重量比由HF:H2O＝1:3～7混合而成，不锈钢的酸洗液按重量百分比HF5％～10％、HNO310％～15％和H2O75～85％混合而成，铌的酸洗液按重量比由HF:HNO3＝1:4～5混合而成；四、酸洗之后的板材按照钛合金-铌-不锈钢的顺序叠放在一起构成三层金属板；五、将夹有纯铌箔的钛合金板和不锈钢板三层金属板的任意一端钻孔用铆钉固定或者采用点焊的方法固定；六、将装配好的试件在真空室中加热并轧制形成连接，轧制温度为800～1000℃，压缩率为20％～35％，轧制速度为0.038～0.2m/s；七、轧后的试件在真空室中冷却至200℃以下后取出，将取出的轧制复合板加工成管状或者是板状，即获得所需要的过渡接头。
2、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头 的制作方法，其特征在于步骤一中，纯铌箔的厚度为0.2~0,4mm。
3、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头 的制作方法，其特征在于步骤一中，纯铌箔的厚度为0.3mm。
4、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头 的制作方法，其特征在于步骤一中，钛合金板和不锈钢板的厚度分别为 2~19mm。
5、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头 的制作方法，其特征在于步骤一中，钛合金板和不锈钢板的厚度分别为 10mm。
6、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法，其特征在于步骤一中，钛合金板和不锈钢板的长度分别为U0 990mm。
7、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法，其特征在于步骤一中，钛合金板和不锈钢板的长度分别为500mm。
8、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法，其特征在于步骤一中，钛合金板和不锈钢板的宽度分别为60 110mm。
9、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法，其特征在于步骤一中，钛合金板和不锈钢板的宽度分别为80mmo
10、 根据权利要求1所述的用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接 头的制作方法，其特征在于步骤六中，轧制温度为90(TC。
全文摘要
用铌中间层的耐高温钛合金和不锈钢过渡接头的制作方法，它涉及一种耐高温钛合金和不锈钢接头的制作方法。本发明的目的是为解决现有爆炸焊接的过渡接头采用中间层材料的工艺过程较为复杂，连接界面组织和性能不均匀，在腐蚀环境下应用容易开裂的问题。本发明将装配好的试件在真空室中加热并轧制形成连接，轧制温度为800～1000℃，压缩率为20％～35％，轧制速度为0.038～0.2m/s。本发明制作的过渡接头抗拉强度可达400MPa以上；过渡接头耐高温，在800℃保温30min后其抗拉强度高于300MPa；过渡接头连接界面处组织和性能比较均匀，基本没有空洞和微裂纹等缺陷，能够在腐蚀环境下应用。
文档编号C23G1/02GK101362149SQ20081013712
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月16日 优先权日2008年9月16日
发明者杨士勤, 赵东升, 闫久春 申请人:哈尔滨工业大学