鈦/鋼連接方法的研究

劉艷　李麗

摘 要：鈦與鋼的物理和結晶化學性能差異較大，直接連接時接頭性能較差，焊接存在較大困難。采用釬焊或用適當的填充材料隔離固態鈦與鋼的熔化焊和壓力焊，可緩解接頭中金屬間化合物與脆性相的生成，某種程度對接頭性能有所改善。

關鍵詞：鈦 鋼 連接 研究現狀

中圖分類號：TG406 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0091-01

鈦金屬有“未來金屬”的美譽，它具有許多其它金屬無法比擬的優點：密度小、強度高、耐腐蝕性及耐高溫性能好、抗阻尼性能強，且無磁無毒等特點。鈦已成為航空航天工業中不可缺少的結構材料，并正逐步為原子能、化工、造船、電子、電力、冶金、機械等部門所重視。

但鈦難于提煉，是貴金屬，限制了它的廣泛應用。鋼的價格低廉，具有良好的熱電性能及力學性能，工程上常用鈦-鋼異種金屬結構。然而鈦和鋼間的物理和結晶化學性能差異較大，鈦與鋼的連接過程中易產生較大的內應力，且連接過程中易生成大量的金屬化合物及碳化物，致使焊縫變脆[1]，為鈦與鋼的焊接帶來了較大的困難。因此，對鈦與鋼之間焊接性及連接方法的研究具有重大的理論意義和應用前景。

1 鈦/鋼的主要焊接方法

目前，應用于鈦/鋼連接的方法主要有熔化焊、壓力焊和釬焊。

1.1 熔化焊

熔化焊是將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法。

常規熔化焊方法焊接時，選擇合適的添加材料或中間材料能在一定程度上改善接頭的性能，但效果有限，這主要是常規熔化焊方法的熱輸入較大，難以控制金屬間化合物的形成和生長。

李標峰[2]研究了TA5鈦與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的焊接性，采用氬弧焊在不加焊絲的情況下進行焊接，試驗結果顯示，鈦-鐵的焊縫中產生了大量的TiFe、Fe2Ti脆性相及低熔點共晶組織，嚴重脆化焊縫，接頭力學性能極差。在此基礎上，李標峰[3]用錳青銅作中間填料所得的鈦-鈮-銅-鋼接頭的強度值在240～290 MPa范圍內，斷口位置分別在Ti-Nb界面處及Nb層。

1.2 壓力焊

采用壓力焊可以避免熔化焊時存在的問題。常用的連接方法包括擴散焊和爆炸焊。

目前，對于不銹鋼與鈦的直接擴散焊已有了大量的研究。M.Ghosh與 S.Chatterjee[4]利用直接擴散焊的方法對304奧氏體不銹鋼與工業純鈦進行了連接，研究結果表明，該接頭中產生了大量的金屬間化合物脆性相，如Fe2Ti、FeTi和Fe2Ti4O等，接頭的抗剪強度可達217 MPa。

周波等人[5]利用納米鎳粉作為中間層對TA7鈦合金與1Crl8Ni9Ti不銹鋼進行了擴散焊試驗。納米鎳粉成功阻止了TA7鈦合金與1Crl8Ni9Ti不銹鋼之間的相互擴散，抑制了TiFe、Fe2Ti、TiC等脆性相的形成，在接頭中形成了具有一定塑性的Ni-Ti型化合物。

馬東康[6]等人對鈦/鋼爆炸焊接界面區形變特性進行了研究，分析了復合板的鋼側塑性變形層和鈦側絕熱剪切線與焊接工藝參數之間的關系。發現，爆炸焊接造成接頭中過大或過小的變形層都將導致界面內產生有害缺陷。

采用爆炸焊的方法是進行大面積復合板連接最有效的辦法，但也存在變形量大、組織和性能不均勻等問題。工藝參數的控制也很嚴格。

1.3 釬焊

常用于鈦/鋼連接用的釬料主要有： Al基釬料、Pd基釬料、Ti-Zr基釬料和Ag基釬料四種。通過調整釬料中合金元素種類、配比及釬焊工藝參數，可控制接頭界面處脆性相的產生量及形態分布，顯著提高焊接接頭的質量[7]。如在使用鋁合金釬焊鈦合金時，接頭中生成Al3Ti等大量的金屬間化合物，致使接頭極脆，耐疲勞性和沖擊強度很低，接頭質量差。通過適當的合金化的方法控制接頭組織，改善接頭性能，如高純鋁釬料中添加0.8%的Si元素，可在釬焊鈦的過程中顯著減小金屬間化合物的生長速度，減少金屬間化合物Al3Ti的生成量[8]。

2 結語

由于鈦與鐵的物理及化學性能相差較大，應避免在熔化焊及壓力焊的過程中鈦與鋼金屬的直接接觸，采用適當的填充材料隔離固態鈦與鋼進行焊接，可緩解接頭中金屬間化合物與脆性相的生成，某種程度對接頭性能有所改善[9]。

參考文獻

[1] 陳滿乾，劉亞芬.TA2/Q235B鈦鋼復合板的焊接[J].焊接生產應用，2007（8）：35-39.

[2] 李標峰.鈦與鋼及鈦復合鋼板的焊接性研究（I）[J].材料開發與應用，2004，19（1）：4l-44.

[3] 李標峰.鈦與鋼及鈦復合鋼板的焊接性研究（II）[J].材料開發與應用，2004，19（2）：45-46.

[4] Ghosh M，Chatterjee S.Characterization of transition joints of commercially pure titanium to 304 stainless steel[J].Materials Science and Technology，2002（48）：393-399.

[5] 周波，邱紹宇.鈦合金與不銹鋼的納米擴散焊接工藝探索[J].焊接技術，2004，33（1）：15-18.

[6] 馬東康，周金波.鈦/鋼爆炸焊接界面區形變特征研究[J].稀有金屬材料與工程，1999，28（1）：26-29.

[7] 李玉龍，楊瑾，禹業曉.鈦及鈦合金釬焊特點及現狀[J].熱加工工藝，2011，40（9）：120-136.

[8] 高飛.鈦及鈦合金材料的焊接技術[J].化學工業建設，2006，28（4）：36-39.

[9] 李玉龍，楊瑾，禹業曉.鈦及鈦合金釬焊特點及現狀[J].熱加工工藝，2011，40（9）：120-136.endprint