一种钛合金表面处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种钛合金表面处理工艺。
【背景技术】
[0002]现代科学技术的迅速发展，特别是当今航空、航天、原子能等尖端科技的发展，人们对材料的性能提出了越来越高的要求。无论是从经济性还是使用性的角度来说，传统单一材料已经很难满足现代化生产技术对材料综合性能的需求。因此，国内外材料科学工作者正致力于研究与开发新材料及异种材料的连接技术，这已经成为材料连接领域的热门课题之一。
[0003]钛及钛合金的主要特点是强度高、比重小，比强度高；并且钛及钛合金具有优异的抗腐蚀性能，在海水和大多数的酸、碱、盐中，均具有优良的耐腐蚀性能，是宇航、石油化工、医疗及地质等许多行业中急需的材料，但其价格昂贵，限制了钛合金的推广应用。因此，生产钛合金的复合材料，研究开发钛合金与其它材料问的连接，是充分发挥钛合金的优良性能，推广钛合金应用的有效途径。钢价格低廉，具有良好的热电性能及机械性能，而钢的耐蚀性差、比重大。在某些情况下，需要兼有钛合金与钢优良特性的异种材料连接件，如宇航(卫星燃料喷注器及姿态控制推进系统中的关键部件)、石油化工(电极、电解槽、电镀、反应塔、强酸强碱容器)、核动力装置(核动力一体蒸汽发生器)、娱乐(高尔夫球)及医疗等行业中常常需要把钛合金与不锈钢连接在一起。因此，开展钛合金与不锈钢连接技术的研究，具有非常重要的技术与经济意义。
[0004]另外，钛是一种活泼金属，与大多数金属连接时，都将在界面上形成脆性相，影响接头性能，解决这一问题的关键是详细观察分析界面元素扩散、相互作用形成脆性相的种类、数量、结构、形态及分布，但这方面的深入观察不系统，理论也不成熟，有待于进一步研究。结合课题要求，本文分别进行了钛合金与不锈钢脉冲加压扩散连接的优化、加中间层脉冲加压扩散连接，并进行了详细分析与对比。不同连接方法进行钛合金与不锈钢扩散连接，深入研究接头结合机理，为该接头成功应用于航空、航天、石油、化工等领域提供理论依据，为解决属于此种类型的异种材料扩散连接提供借鉴，推动扩散连接理论的完善及应用，促进钛合金的进一步推广应用。
[0005]另外，不锈钢中的铬、镍、碳等元素也可能与钛之间形成脆性相，同时钛、铁、铬及镍之间还可能形成多元复合脆性金属问化合物，使焊缝进一步脆化，接头性能进一步下降。因此，钛与不锈钢直接焊接时会产生的主要问题有:
[0006](I)由于二者线膨胀系数、热导率相差较大，在焊接加热和冷却过程中变形不同，导致接头中形成较大的内应力。
[0007](2)铁在焊缝中的含量将大大超过它在钛中的溶解度，在焊缝中形成大量很脆的金属间化合物。
[0008](3)钛与不锈钢焊接时，随着温度的升高，钛及钛合金的吸气能力显著提高。而焊缝冷却时，由于冷却速度的影响，吸收的氢、氧、氮来不及全部逸出而形成气孔。
[0009](4)钛是强碳化物形成元素，与钢中的碳极易形成脆性的TiC，当钛与含铬、镍的奥氏体钢焊接时更为复杂，焊缝中的钛会与铁、铬、镍形成复杂的金属问化合物，从而使焊缝变得极脆.
[0010]由于上述原因和情况的存在，必然会对连接接头的产生不良的影响，也导致了连接接头性能的难以提高。这就是钛及钛合金与不锈钢焊接的困难及问题所在。可见，成功地实现钛合金与不锈钢的连接，必须采取合适的焊接方法、工艺措施及工艺参数，以达到避免或减少连接界面脆性相的形成，降低接头内应力，获锝性能优良的连接接头。
[0011]其中钛及钛合金与不锈钢钎焊的关键问题是钎料的选择。钛和钢还可以用接触反应钎焊进行焊接，其原理在接触良好的情况下，加热到钛铁共晶反应温度以上，依靠钛与铁的相互扩散，在界面处形成共晶体，从而把钛和钢连接起来，钛.铁共晶接头最高强度。张友寿等研究用两种不同的Ag.CU合金作钎焊填充金属，探讨了工业纯铁与不锈钢的真空钎焊，结果用Ag-28Cu填充金属钎焊的接头的剪切强度为97-230MPa，分析了了接头中形成的不同相的特征以及金属间化合物对钎焊接头力学性能的影响。针对钛和不锈钢异种金属钎焊时两种金属钎焊温度的差异，热物理性质的差异以及钛的溶蚀问题，赵彭生等采用辉光放电钎焊方法，指出这种方法的优点之一就是能在钎焊过程中，依靠离子轰击净化作用，有效地去除母材及钎料表面的氧化膜，改善钎料的铺展条件，他们用辉光放电钎焊得到了优良的钛和不锈钢接头，但是没有揭示焊接接头的具体力学性能数据。这种焊接接头能够承受试验条件下热循环产生的长期热应力、应变，而不产生破坏，主要是因为:钎缝中存在冶金或半冶金结合的扩散层，由于界面效应，有利于材料承受热循环；由于螺纹连接结构，螺纹实际上能使钎缝上受到的工作负荷完全卸去，从而大大减少了因钎焊母材之间热膨胀系数不同而造成的滑移痕迹对钎缝的破坏作用；由于高银钎料的塑性较好，有利于承受热循环产生的热应力、应交，减缓热应力，热冲击对钎缝的破坏。通过对钎焊工艺(钎焊温度、钎焊时间)、合金元素对Al/Ti真空钎焊接头中金属问化合物影响的研究，系统地分析了影响接头强度的因素，这对于钛和钛合金与不锈钢的焊接都有一定的借鉴意义。金相分析和剪切试验结果表明，接头结合牢固，组织性能良好。钛及钛合金与不锈钢钎焊虽可以获得一定使用性能的焊接接头，但焊接接头的结合强度较低，而且耐蚀性也常常满足不了要求。
[0012]爆炸焊接是利用炸药产生的冲击力造成焊件迅速碰撞，同时产生高速射流清除表面的氧化膜和吸附层，使两个洁净的金属表面相互接触，并在高压下紧密结合，从而实现焊接过程。爆炸复合是瞬间完成的，在界面上形成的扩散层。典型的爆炸焊结合边界面为波浪形，其结合强度和各种力学性能要优于直线结合和具有连续熔化层的结合。这对于极易于形成脆性金属问化合物的钛及钛合金与钢的焊接来说是合适的。
[0013]爆炸焊比较适合于钛及钛合金与不锈钢的焊接，制造钛一钢复板是目前爆炸焊的一个重要应用，许多国家都致力于其机理、工艺及应用的研究。用爆炸焊制造的钛.钢复合板接头的强度完全取决于爆炸焊的工艺参数，炸药质量大小与悬置板量大小的比值，爆炸速度和两相邻板问的起始距离，最好的情况可达350-380Mpa，断裂常发生在钛.钢界面处。对爆炸焊接的结合机理和连接特征进行了研究。分别用铜和铝作为中间夹层，对钛与钢对爆炸焊接试验。