专利名称：：钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺的制作方法
技术领域：
：本发明属于焊接工艺，具体地说，涉及一种钛合金与不锈钢先表面自纳米化后扩散焊接的工艺。
背景技术：
：钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能优异、高温强度及低温韧性良好等优点，已广泛用于航空航天、石油化工、核动力等领域。但是，钛的弹性模量低、高温蠕变性能差，且价格昂贵，而不锈钢的价格低廉，具有良好的热电性能和机械性能，因此，常常将钛合金与不锈钢结合起来使用，以充分发挥两种金属材料在性能和经济上的互补优势。但是钛合金与不锈钢在物理化学性能上存在极大的差异，焊接温度过高或焊接时间过长都会在接头处生成过厚的脆性金属间化合物层、界面处晶粒长大、接头变形过大等缺点。另外，钛原子的半径(0.147nm)大于铁原子半径(0.127nm)，极不容易扩散到致密的面心立方结构的粗晶奥氏体不锈钢中，使得焊接效果不理想。目前钛合金和不锈钢的常用的焊接方式是扩散焊接。扩散焊接是指将两种异种材料放置在真空室内，在一定的压力下加热到焊接材料熔点以下，让原子相互扩散以实现焊接的一种固态焊接方法，与其它焊接方法相比，具有许多技术和经济上的优点，它能够完成一些其它焊接方法难以完成的焊接工作，能够实现互不溶解的、高熔点金属和非金属的焊接。扩散焊接可分为直接扩散焊接和间接扩散焊接。1)直接扩散焊接。该焊接方法是将未经处理的钛合金和不锈钢两种材料的焊接界面直接接触，在一定的温度、压力和时间下进行焊接。该方法温度过低(<850°C)、时间较短时，不能得到紧密焊接的接头，而温度过高时间过长时，在焊接界面处形成过厚的脆性金属间化合物层(金属间化合物有'FeTi、Fe2Ti、TiC、NiTi、NiTi2、Fe2Ti40等)，且晶粒粗大，接头变形大，并产生较大的内应力，导致焊接接头性能低。在现有的文献中报道中，钛合金与不锈钢恒温恒压扩散焊接的最高强度剪切为382MPa，这是M.Ferrant等对Ti6A14V/AISI316在950°C、8MPa条件下焊接lS0min得到的，显然该焊接工艺的焊接温度较高、用时太长，焊接效率低。张英才等采用温度为8001100°C，压力为50100MPa，时间为30180min的工艺对TAl/lCrl8Ni9Ti进行扩散焊接，得到的接头强度为31.5207.5MPa，该工艺用时长，上限温度高，压力较大，而且得到的接头强度较低。2)间扩散接焊接法。该方法是为了避免钛合金与不锈钢直接焊接时生成过厚的脆性金属间化合物，在钛合金与不锈钢两界面之间加一过渡层金属的扩散焊接方法。该方法能够避免多种脆性金属间化合物的产生，也能就特定的材料采用合适的扩散焊接工艺提高钛合金与不锈钢焊接接头的强度。但是，对于特定的材料不易找到合适的中间层金属和制定合适的扩散焊接工艺，存在很大的不确定性。众所周知，纳米晶体材料由于晶粒细小，具有高体积分数的晶界，这将为原子扩散提供大量通道，能大大提高原子的扩散系数。在纳米材料制备方面，中国科学院金属研究所卢柯提出了金属块体材料表面自纳米化(SNNC)概念，其原理是利用外加载荷使金属块体材料的表面层产生塑性变形，引入大量的非平衡缺陷和界面使表面层粗大晶粒细化成纳米晶粒。该方法制备出的表面层纳米晶的化学成分与基体相同，不存在界面污染、孔洞等缺陷，且纳米层和基体之间结合紧密，不易脱落；另外，纳米晶界处存在位错、空位、亚晶界等非平衡缺陷以及过剩能量，将有利于原子的化学反应，在工业上具有广阔的应用前景。该制备方法已被运用于多种金属材料的化学热处理中，大大提高了原子的扩散系数，降低了热处理的温度和时间，为低温高效化学热处理开辟了新的前景。如卑多慧等运用表面自纳米化处理提高了低碳钢在气体渗氮过程中氮原子的扩散系数和表面反应传递系数，提高了渗氮速度，化合物厚度成倍增加，把低碳钢渗氮温度降低到46(TC，时间从18h降到3h。Tong等也对表面自纳米化处理后的Fe和38CrMoAl的离子氮化进行了研究，分别将Fe和38CrMoAl的离子氮化温度降到了30(TC和40(TC。有文献报道了表面自纳米化处理后的低碳钢的渗Cr温度降到40(TC，获得了比常规渗Cr更厚的渗层和Cr化合物。Z.B.Wang经表面自纳米化处理后的纯铁进行渗Cr研究表明，在相同条件，Cr在纳米铁中的扩散系数比在常规粗晶铁中的扩散系数高79个数量级。然而，将表面自纳米化处理运用到钛合金和不锈钢的扩散焊接目前尚未见报道，通过表面自纳米化处理后来改善钛合金和不锈钢扩散焊接存在的缺点如直接扩散焊接不能得到紧密焊接的接头，晶粒粗大，接头变形大，并产生较大的内应力，导致焊接接头性能低；间接焊接不易找到合适的中间层金属和没有合适的扩散焊接工艺的缺点的工艺更是没有。
发明内容本发明的目的在于提供一种将表面自纳米化处理运用到钛合金和不锈钢的扩散焊接的工艺，减少金属间化合物层的厚度，细化接头晶粒，大大提高焊接接头机械性能。本发明的技术方案如下自纳米化处理后恒温恒压扩散焊接步骤l，原材料的准备，选用钛合金和不锈钢的棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨平后进行抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为0.5mm5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用0.4MPalMPa的高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为130min，最后，在原材料待焊端面获得40pmlOO)im深的纳米晶粒层；经过热分析实验测定，步骤2获得的两种材料的纳米晶在600°C之内没有明显的长大。步骤3，恒温恒压扩散焊接，将步骤2处理后的钛合金和不锈钢自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.8X10^Pa1.2X10"Pa，进行扩散焊接，焊接过程中在焊接件两端施加l20MPa的恒定压力，焊接温度为40060(fC，扩散焊接1030min。上述步骤l中钛合金选用O)12.5mmx30mm的近a相TA17钛合金；不锈钢选用规格相同的OCrl8Ni9Ti奥氏体不锈钢。上述步骤2中钛合金和不锈钢在喷丸处理过程用圆筒型夹具将待处理端夹住。避免在喷丸处理过程中处理面的金属向边沿外流动，钛合金和不锈钢焊接端面形成球形导致钛合金和不锈钢的纳米层端面在磨平和抛光后凸出部分纳米层被磨掉，影响扩散焊接。自纳米化处理后冲击加压扩散焊接步骤l，原材料的准备和步骤2，表面自纳米化处理与自纳米化处理后恒温恒压扩散焊接相同。步骤3,冲击加压扩散焊接，将步骤2处理后钛合金和不锈钢的自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.8Xl(T3Pa1.2X10"Pa，焊接温度为400600。C，进行扩散焊接，焊接时，在焊接件两端施加580MPa的脉冲压力，脉冲次数为10200次，加压的频率为0.5Hz(即循环一次需要2s)。上述步骤l中钛合金选用O12.5mmx30mm的TA17近a相的钛合金；不锈钢选用规格相同的OCrl8Ni9Ti奥氏体不锈钢。上述步骤2中钛合金或不锈钢在喷丸处理过程用圆筒型夹具将待处理端夹住。避免在喷丸处理过程中处理面的金属向边沿外流动，钛合金和不锈钢焊接端面形成球形导致钛合金和不锈钢的纳米层端面在磨平和抛光后凸出的部分纳米层被磨掉，影响扩散焊接。拉伸性能测试。将自纳米化处理后恒温恒压扩散焊接的钛合金和不锈钢的焊接接头试样，在40(TC保温lh后随炉缓冷，然后将试样加工成直径为10mmX25mm的拉伸试样，在Instron1342型万能试验机上测试扩散焊接接头的拉伸强度，结果如下表l所示。表1恒温恒压扩散焊接接头强度和压縮率<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表l可以看出，最大接头强度得到大大提高。焊接接头分析。将自纳米化处理后恒温恒压扩散焊接和冲击加压扩散焊接得到的钛合金和不锈钢的焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。分别列出了Fe原子和Ti原子在不同连接温度下的扩散距离，结果如下表2所示。表2Fe原子和Ti原子在不同焊接温度下的扩散距离<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表2可以看出，Fe原子在钛合金中扩散距离和Ti原子在不锈钢中的扩散距离提高。利用距端面一定距离处的Fe原子百分比浓度计算出Fe原子在钛合金中的扩散系数和扩散激活能，如表3所示。表3不同温度下的Fe原子的扩散系数焊接温度("C)_800825850875卯0纳米化试样中的扩散系数lA-n，"。n2，1.0591.3781.5552.1432.502,32,0.5400.831.0951.428的扩執激任"匕,trl、71605.73能(J.mol)常规试样中的扩散系数(lxlO-13!!!2^)纳米化试样中的扩散激活能(j，r1)常规试样中的扩散激活能，A^",202746(j，r1)_从表3可以看出，原子扩散系数提高，原子扩散激活能显著下降。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。得到接头见面两侧的晶粒细小(<10pm)。有益效果本发明提高钛合金与不锈钢在扩散焊接过程中扩散系数，縮短焊接时间，降低了焊接时对压力和温度的要求，提高焊接效率，减少了金属间化合物层的厚度，细化了接头晶粒，大大提高了钛合金与不锈钢扩散焊接接头的机械性能。图1是恒温恒压扩散焊接工艺曲线图；图2是冲击加压扩散焊接工艺曲线图；图3是钛合金与不锈钢焊接后接头剖面的SEM照片；图4是钛合金与不锈钢焊接后接头剖面的能谱图。具体实施方式实施例1钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺步骤1，原材料的准备，选用<D12.5mmx20mm的TA1钛合金和00Crl8Nil0不锈钢棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨平后进行抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为0.5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用lMPa的高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为lmin，最后，在原材料待焊端面获得40pm深的纳米晶粒层；步骤3，恒温恒压扩散焊接，将步骤2处理后的钛合金和不锈钢自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在卞锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.8X10-Spa，进行扩散焊接(参见图l)，焊接过程中在焊接件两端施加20MPa的恒定压力，焊接温度为60(fC，扩散焊接10min。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。图3为接头剖面的SEM照片，图4为接头剖面的能谱图，得出接头见面两侧的晶粒细小(<l(Vm)。实施例2钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺步骤1，原材料的准备，选用020mmx25mm的近a相TA17钛合金和0Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨到1200井并进行机械抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，钛合金或不锈钢在喷丸处理过程用圆筒型夹具将待处理端夹住。将直径为5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用lMPa的高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为lmin,最后，在原材料待焊端面获得100nm深的纳米晶粒层；步骤3，恒温恒压扩散焊接，将步骤2处理后的钛合金和不锈钢自纳米化端面相接触，Gleeblel500-D型热模拟试验机的真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到1.2X10"Pa，进行扩散焊接(参见图l)，焊接过程中在焊接件两端施加lMPa的恒定压力，焊接温度为400JC，扩散焊接30min。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。图3为接头剖面的SEM照片，图4为接头剖面的能谱图，得出接头见面两侧的晶粒细小(<10nm)。实施例3钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺步骤1，原材料的准备，选用012.5mmx30mm的近a相TA17钛合金和0Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨平后进行抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为2.5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用0.7MPa的高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为15min，最后，在原材料待焊端面获得70pm深的纳米晶粒层；步骤3，恒温恒压扩散焊接，将步骤2处理后的钛合金和不锈钢自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到1.0X10^Pa，进行扩散焊接(参见图l),焊接过程中在焊接件两端施加10MPa的恒定压力，焊接温度为500。C，扩散焊接20min。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平拋光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。图3为接头剖面的SEM照片，图4为接头剖面的能谱图，得出接头见面两侧的晶粒细小(<10nm)。实施例4一种钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，包括如下步骤步骤1，原材料的准备，选用012.5mmx30mm的近a相TA17钛合金和0Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨平后进行抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，钛合金或不锈钢在喷丸处理过程用圆筒型夹具将待处理端夹住。采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为0.5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用0.4MPa高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为30min，最后，在原材料待焊端面获得40深的纳米晶粒层；步骤3，冲击加压扩散焊接，将步骤2处理后钛合金和不锈钢的自纳米化端面相接触，Gleeblel500-D型热模拟试验机的真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到1.2X10"Pa，焊接温度为400。C，进行扩散焊接，焊接时，在焊接件两端施加5MPa的脉冲压力，脉冲次数为200次，加压的频率为0.5Hz(即循环一次需要2s)。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。图3为接头剖面的SEM照片，图4为接头剖面的能谱图，得出接头见面两侧的晶粒细小(<l(Him)。实施例5一种钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，包括如下步骤步骤l，原材料的准备，选用022.5mmx20mm的TC4钛合金和Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨到1200#并进行机械抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用lMPa高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为lmin，最后，在原材料待焊端面获得100nm深的纳米晶粒层；步骤3，冲击加压扩散焊接，将步骤2处理后钛合金和不锈钢的自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.8X10-Spa，焊接温度为600。C，进行扩散焊接，焊接时，在焊接件两端施加80MPa的脉冲压力，脉冲次数为10次，加压的频率为0.5Hz(即循环一次需要2s)。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。图3为接头剖面的SEM照片，图4为接头剖面的能谱图，得出接头见面两侧的晶粒细小(<10nm)。实施例6一种钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，包括如下步骤步骤l，原材料的准备，选用O12.5mmx30mm的Ti6A14V钛合金和304不锈钢棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨到1200#并进行机械抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为2.3mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用0.6MPa高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为12min，最后，在原材料待焊端面获得60nm深的纳米晶粒层；步骤3，冲击加压扩散焊接，将步骤2处理后钛合金和不锈钢的自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.9X10"Pa，焊接温度为450。C，进行扩散焊接，焊接时，在焊接件两端施加60MPa的脉冲压力，脉冲次数为150次，加压的频率为0.5Hz(即循环一次需要2s)。焊接接头分析。将焊接接头沿纵向剖开后，把剖面磨平抛光并用腐蚀剂将剖面轻腐蚀，利用电子扫描显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对剖面进行组织观察和能谱以及原子百分比测试。图3为接头剖面的SEM照片，图4为接头剖面的能谱图，得出接头见面两侧的晶粒细小(<10pm)。权利要求1、一种钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，其特征在于包括如下步骤步骤1，原材料的准备，选用钛合金和不锈钢的棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨平后进行抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤1原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为0.5mm～5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用0.4MPa～1MPa的高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为1～30min，最后，在原材料待焊端面获得40μm～100μm深的纳米晶粒层；步骤3，恒温恒压扩散焊接，将步骤2处理后的钛合金和不锈钢自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.8×10-3Pa～1.2×10-1Pa，进行扩散焊接，焊接过程中在焊接件两端施加1～20MPa的恒定压力，焊接温度为400～600℃，扩散焊接10～30min。2、根据权利要求l所述钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，其特征在于步骤l中钛合金为O12.5mmx30mm的TA17近a相的钛合金；不锈钢为相同规格的OCrl8M9Ti奥氏体不锈钢。3、根据权利要求l所述钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，其特征在于步骤2中钛合金或不锈钢在喷丸处理过程用圆筒型夹具将待处理端夹住。4、一种钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，其特征在于包括如下步骤步骤l，原材料的准备，选用钛合金和不锈钢的棒材为扩散焊接原材料，用金相砂纸将原材料的端面磨平后进行抛光，得到光洁的端面；步骤2，表面自纳米化处理，将步骤l原材料放入喷丸机内，采用高能喷丸方法对原材料焊接端面进行表面自纳米化处理，将直径为0.5mm5mm的弹丸在负压作用下吸入高压喷嘴，用0.4MPalMPa高压气流加速弹丸，冲击原材料待焊端面，冲击时间为130min，最后，在原材料待焊端面获得4(^m100nm深的纳米晶粒层；步骤3，冲击加压扩散焊接，将步骤2处理后钛合金和不锈钢的自纳米化端面相接触，放置于真空室中，在不锈钢侧焊接好热电偶，盖好真空盖抽真空，使真空度达到0.8X10^Pa1.2X10"Pa，焊接温度为400600。C，进行扩散焊接，焊接时，在焊接件两端施加580MPa的脉冲压力，脉冲次数为10200次。5、根据权利要求4所述钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，其特征在于步骤l中钛合金为O12.5mmx30mm的近a相TA17钛合金；不锈钢为规格相同的OCrl8Ni9Ti奥氏体不锈钢。6、根据权利要求4所述钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，其特征在于步骤2中钛合金或不锈钢在喷丸处理过程用圆筒型夹具将待处理端夹住。全文摘要本发明公开了一种钛合金与不锈钢表面自纳米化扩散焊接工艺，先选取相同直径的钛合金和不锈钢棒材，对要焊接端端面进行表面自纳米化处理，然后再进行恒温恒压扩散焊接或者进行进行冲击加压扩散焊接。本发明提高钛合金与不锈钢在扩散焊接过程中扩散系数，缩短焊接时间，提高焊接效率，减少金属间化合物层的厚度，细化接头晶粒，提高钛合金与不锈钢扩散焊接接头的机械性能。文档编号B23K20/02GK101244483SQ200810069490公开日2008年8月20日申请日期2008年3月20日优先权日2008年3月20日发明者周小玲,盛光敏,胡国雄,靖韩,婧颜申请人:重庆大学