鈦合金與不銹鋼的焊接性分析

鈦合金的主要成分鈦和不銹鋼的主要成分鐵都屬于高熔點(diǎn)材料，如果采用熔化焊接的方法進(jìn)行二者的連接則加熱溫度很高，在焊接加熱和冷卻的過程中會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。另外二者的熔點(diǎn)相差140℃，在焊接過程中熔點(diǎn)低的材料達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí)，熔點(diǎn)高的材料仍呈固體狀態(tài)，這時(shí)已經(jīng)熔化的材料容易滲入過熱區(qū)的晶界，會(huì)造成低熔點(diǎn)材料的流失、合金元素?zé)龘p或蒸發(fā)，使焊接接頭難以焊合。

二者熱導(dǎo)率和比熱容的差異。材料的熱導(dǎo)率和比熱容會(huì)使焊縫金屬的結(jié)晶條件變壞，晶粒嚴(yán)重粗化，并影響難熔金屬的潤濕性能。二者線膨脹系數(shù)的差異。鐵的線膨脹系數(shù)大約是鈦的1.5倍。線膨脹系數(shù)越大的材料，熱膨脹率越大，冷卻時(shí)收縮也越大，而線膨脹系數(shù)不同的異種材料的焊縫結(jié)晶時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。這種焊接應(yīng)力不易消除，往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生很大的焊接變形。由于焊縫兩側(cè)材料承受的應(yīng)力狀態(tài)不同，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫金屬與母材的剝離。氧化產(chǎn)物也會(huì)顯著降低焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性。鈦和不銹鋼在高溫下易氧化，從而降低接頭質(zhì)量。高溫下鈦易于與空氣中的氫、氧和氮發(fā)生反應(yīng)。鈦在250℃以上開始吸收氫，在400℃以上開始吸收氧，從600℃開始吸收氮。焊接材料的氧化會(huì)使得焊接區(qū)被這些氣體污染而脆化，甚至產(chǎn)生氣孔。異種金屬連接結(jié)構(gòu)具有組元金屬的綜合性能優(yōu)勢，但是由于異種金屬之間物理、化學(xué)和力學(xué)性能差異巨大，采用常規(guī)焊接方法容易出現(xiàn)冶金不相容性的問題，在界面形成脆性化合物相，以及由于熱物理性能不匹配產(chǎn)生殘余應(yīng)力等嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和性能的問題，因此大大限制了異種金屬焊接結(jié)構(gòu)在工業(yè)上的應(yīng)用。在進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的連接時(shí)，解決上述問題的關(guān)鍵在于對(duì)脆性相的種類、數(shù)量、分布形態(tài)進(jìn)行研究，對(duì)其加以控制和改善，以提高接頭的塑性和韌性。同時(shí)需要選用適當(dāng)?shù)暮附臃椒昂附庸に噮?shù)，減小焊接應(yīng)力，減小連接界面的金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)，采用有效的保護(hù)措施，避免焊接時(shí)被焊材料的氧化及吸氣，從而實(shí)現(xiàn)二者高質(zhì)量的連接。

二者之間的金屬間化合物的問題。由于鈦的金屬性活潑，與多數(shù)金屬連接時(shí)將在界面上形成脆性相。鈦合金與不銹鋼連接時(shí)同樣也存在著金屬間化合物和材料氧化的問題。鐵與鈦極易生成金屬間化合物，如TiFe、TiFe2、Ti2Fe等，由于金屬間化合物具有較大的脆性使接頭脆化，在焊接應(yīng)力的作用下容易導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，導(dǎo)致接頭的塑性和高溫性能變差，焊接質(zhì)量下降，給二者之間的焊接帶來了很大的困難。鈦在溫度為1155K時(shí)發(fā)生相變，高溫時(shí)以體心立方晶格β-Ti形式存在，溫度較低時(shí)為密排立方晶格的α-Ti。鐵在α-Ti中的固溶度很小，在室溫下僅為0.05%~0.1%，在共析溫度下不超過0.5%。鐵是β-Ti穩(wěn)定元素，在β-Ti中的固溶度比在α-Ti中的大，在共晶溫度1355K時(shí)，鐵在β-Ti中的固溶度達(dá)到最大值25%。在β-Ti中固溶了鐵之后，可以使其相變點(diǎn)溫度降低，當(dāng)β-Ti中鐵含量達(dá)到一定值時(shí)，β-Ti將會(huì)被保留至室溫，隨著β-Ti中鐵含量的進(jìn)一步增高，在冷卻過程中，將會(huì)造成鐵在鈦中的過飽和，進(jìn)而超過其在鈦中的固溶度而形成金屬間化合物。不銹鋼中的合金元素鉻和鎳也能夠與鈦形成脆性的金屬間化合物，同時(shí)鈦還是強(qiáng)碳化物形成元素，與鋼中的碳會(huì)化合形成形成脆性的TiC。鈦、鐵、鉻和鎳之間還可能形成多元復(fù)合脆性金屬間化合物，使焊縫進(jìn)一步脆化，進(jìn)一步降低接頭性能。