钛合金与不锈钢的焊接研究现状

钛合金与不锈钢的焊接，目前的焊接方法主要有激光束焊、等离子焊、电子束焊、爆炸焊、摩擦焊和扩散焊等，其共同的问题是由于焊接温度过高，导致基体材料和焊缝晶粒长大、焊缝出现裂纹和焊接接头强度低；对于异种金属之间的焊接，还会在焊接接头处产生大量的脆性的金属间化合物，从而导致接头的结合强度降低，对复合构件的安全工作造成威胁。

爆炸焊

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。爆炸复合是在10-6 s内瞬间完成的，在界面上形成的扩散层厚在~10-1 um内。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间的起始距离，最好的情况可达350~380 MPa[5]，断裂常发生在钛-钢界面处。文献对爆炸焊接的结合机理和连接特征进行了研究；黄翰荣等也报道了关于钛与不锈钢爆炸焊接头的研究成果。分别用铜和铝作为中间夹层，对钛与钢对爆炸焊接试验。杨扬等研究了钛(TA2)/钢(A3)的爆炸焊，深入探讨了TA2/A3爆炸复合界面扩散反应区的微观组织结构，反应相的形成和生长规律，得到不同温度下的热处理，会对金属间化合物的生成产生不同的影响；认为TiFe、TiFe 2、TiC是使接头性能恶化的根本原因，证明了这三种金属间化合物中TiC最易形成，TiFe 2、TiFe次之；爆炸复合界面的“冶金结合”是通过接触面之间的局部熔化和扩散的物理冶金过程实现的。其他研究也得出了TiFe、TiFe 2、TiC金属间化合物层是爆炸焊接头断裂位置的结论。李炎等研究了钛/20G钢爆炸焊接复合界面，表明复合界面为带有前旋涡的准正弦形，由直接结合区、熔化层和旋涡区组织，界面处有元素扩散。陈百顺等进行了TC4与普钢的直接爆炸焊接，结合界面拉剪强度大于339MPa，断裂发生在钢材内，爆炸工艺使两金属结合界面形成了适度的金属流动和细而均匀的结合波形。Kuznetsov对双相钢与钛的爆炸焊接头波发射性能进行了测试。高文柱在实验室获得的钛/钢爆炸复合板挤撞强度大于475MPa，抗剪强度大于368MPa；工业规模生产的钛/钢爆炸复合板的抗拉强度大于172MPa，抗剪强度大于278MPa。

总体来说，钛/钢爆炸焊接复合界面受原材料、表面预处理、工艺及后处理等诸多因素的影响，而爆炸时产生瞬间高温、高压和大剪切应变，使界面结构非常复杂，在界面扩散的研究上，国内外学者还存在一些不尽一致的地方，因此有等深入地研究。钛/钢爆炸焊接主要用于层状金属材料的复合，同时，由于其工艺较复杂，且较难控制，所以不适合小构件的连接。

钎焊

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可达328Mpa。钛和钢的钎焊，一般用于钛焊缝的分区检漏及钛衬环和法兰的密封焊。周印梅等利用Ag-33Al银基钎料实现了16Mn/16MnR与TA1的焊接，获得了符合要求的接头。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。杨静等采用螺纹钎焊得到了钛合金与不锈钢管接头。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、应变，减缓热应力，热冲击对钎缝的破坏。文献[28]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间化合物影响的研究，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。

摩擦焊

摩擦焊是二种金属固相热压焊方法，它是把两种焊件的结合面作相对高速运动，借助于摩擦热使接触部分达到塑性状态，再经加压而连接成一体的一种工艺方法。纯钛与碳钢S25C和SUS304不锈钢的摩擦焊接头室温拉伸强度和疲劳强度可高于钛母材，但接头的弯曲塑性和冲击韧性却比母材低得多。TiAl和AISI4140直接对焊时，接头会因为脆性金属间化合物的产生，以及马氏体转变带来的体积变化而产生微观和宏观的裂纹，用纯铜作为中间层后，接头的拉伸强度可以达到375MPa，介于钛和钢之间。采用纯铝的中间夹层的摩擦焊，所形成的接头极脆，最高强度σb＝150MPa；巴顿电焊研究所用工业纯铝AD1作中间层获得的钛与钢的摩擦焊接头受拉伸时，断裂沿中间过渡金属铝发生，但强度高于铝材的50%，金相分析表明，钛、铝、钢之间没有扩散，接头在300℃保温150h没有形成金属间化合物[34]。但是，摩擦焊对接头的形式有限制，很难实现结构复杂，尺寸精度要求较高的构件的连接。

扩散焊

扩散焊是近二十余年发展起来的一种新型的焊接方法，与其它焊接方法相比，具有许优点，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，特别是对于性能差别较大、互不溶解，相互间易产生金属间化合物等脆性相的异种金属连接，扩散焊接是一种可靠的连接方法。

国内外关于钛与不锈钢焊接的研究很多，涉及的扩散焊方法主要有恒温恒压扩散焊接、瞬间液相扩散焊接和相变超塑性扩散焊接，还有一种新型的脉冲加压扩散焊接。

①恒温恒压扩散焊

恒温恒压扩散焊接，即在稳定的温度和稳定的压力下实现材料的扩散，这里所指的恒压通常指的是轴向压力。Orhan等[38]通过对双相不锈钢和Ti-6Al-4V扩散焊接头的研究认为，Fe-Cr-Ti金属间化合物在接头中的形成比s相的形成更加重要。Kale计算了钛合金与不锈钢焊接时接头处金属间化合物层长大的激活能，认为成分为~60%Ti，~20%Fe，~10%Cr，~10%Ni的平面控制金属间化合物层的长大。M.Ghosh等在850℃下得到的纯钛与304不锈钢直接对焊接头的强度为222MPa，达到纯钛母材强度的76%，压缩率为~5%，在接头界面上发现有s相、FeTi、Fe 2 Ti 4 O、NiTi、NiTi 2，温度上升，使金属间化合物体积增加；而850℃下Ti-5.5Al-2.4V和304不锈钢的最高接头强度达到272MPa，拉伸断裂主要发生在FeTi和b钛的某一个地方[42]。TiAl与40Cr钢进行扩散焊[43~44]时，接头界面上脱碳层和TiC层同时出现，界面结构为TiAl/Ti3Al+FeAl+FeAl/TiC/脱碳层/40Cr钢，界面总反应层的厚度随接合时间按抛物线议程成长，当脆性反应层厚度为3um时接头强度达到最大值183MPa。

用直接扩散焊法获得的接头强度较低，特别是在焊接温度较高、焊接时间较长的情况下，传统的扩散焊方法难以解决钛合金与不锈钢焊焊接时的固有矛盾――物理化学性能和热膨胀相差较大，接头界面容易形成脆性金属间化合物和残余应力。为此，可以采用一种或者几种与钛和钢均具有较好可焊性的过渡金属，将钛与钢间接地焊接起来。用镍箔作中间层获得钛与不锈钢的扩散焊接头抑制了TiFe、TiFe 2和TiC的形成，但钛镍在接头界面上形成了TiNi 3、TiNi和Ti 2 Ni等金属间化合物层，接强度较低，在最佳工艺条件下其剪切强度仅为74MPa。而李小强等[49]用镍作中间层焊合了钛合金与不锈钢钢，得到了强度为146MPa的扩散焊接头。邹茉莲[50]认为用钝铜和纯镍做中间层时不能很好阻止Ti向不锈钢的扩散，Cu和Ti产生强烈的共晶反应，各元素的扩散使接头中形成多层次的不同组织和多种化合物，导致接头强度较低。孙荣禄等用镍作中间层扩散焊合了TC4和1Cr18Ni9Ti，发现在钛与镍之是有金属间化合物薄层，最高接头强度达到352MPa；用钒+铜复合过渡金属作扩散焊中间层[51]时，中间层防止了钛与不锈钢中元素的扩散，消除了钛铁之间的金属间化合物，接头最高强度达到了540MPa。

②超塑性焊接

材料的超塑性可以加速固态扩散的焊接过程，并能使其获得好的焊接性，因此超塑性扩散焊受到了广泛的重视，并成功地应用于各领域。超塑性扩散焊主要分为两种：组织超塑性(或恒温超塑性)扩散焊和相变超塑性(或动态超塑性)扩散焊。由于组织超塑性扩散焊前需要微细晶粒化的预处理，而相变超塑性扩散焊却不需要，只要在一定小的应力下，对具有相变点的材料施以通过相变点的温度循环，即可实现固态下的扩散焊接，且焊接时间较短。

相变超塑性扩散焊接是一种固相焊接方法，具有一般扩散焊接和变形焊接的特点，利用材料在热循环的作用下的反复相变作用，在压力的作用下使被焊材料在接触界面处发生超塑性流变，从而使表面紧密接触并接近到原子间作用力能达到的范围之内，实现界面两侧的材料的可靠连接的焊接方法[54]。超塑性条件下，材料在较小应力下具有非常好的塑性变形能力，超塑性流变过程中材料原子处于高度活化状态，这些有利于去除材料表面氧化膜、提高接头结合的紧密性和加快原子扩散，从而在短时间内实现可靠连接。只要被焊材料具有相变点，就可能用这种方法进行焊接。材料的反复相变，是通过热循环来实现的，因此热循环就成了这种焊接方法的核心工艺环节。相变超塑性扩散焊接的研究主要集中在铁基合金上。王燕文等考察了20钢相变超塑性焊接工艺参数对接头强度的影响，并实现了碳素钢、合金钢以及硬质合金等的同材或异种材料之间的焊接。熊建钢等在Gleeble－1500D热模拟试验机上成功实现了低碳钢与铸铁和不锈钢的相变超塑性焊接，并用误差函数解求得铸铁/不锈钢焊接时Cr的扩散系数，比常规条件下的扩散系数高2～3个数量级。关于钛合金与不锈钢等性能差别较大的异种材料的相变扩散连接国内外也有很多报道。将钛与304不锈钢在空气中进行相变扩散焊接[52~53]。焊接在如下条件下进行：热循环的最高温度在1150K与1200K之间；压力为15.8MPa；加热或冷却速度大约为30Ks－1。结果表明，不锈钢一侧没有发生塑性变形，但是钛一侧的靠近界面的薄层发生了塑性变形，成分分析显示钛与不锈钢发生了明显的相互扩散。接头的断裂强度为260MPa，延伸率小于2.2％。用相变超塑性方法对纯钛TA2和1Cr18Ni9Ti不锈钢进行焊接试验，结果表明，加热温度、加热冷却速度及循环次数是相变扩散连接的中心环节，是影响接头性能的重要参数，获得的焊接接头的抗拉强度最大为380MPa，接头的变形率小于10％。

③脉冲加压扩散焊接

脉冲加压扩散焊接是乌克兰巴顿焊接技术研究所开发的一种新型的扩散焊方法[65~66]，被焊工件置于真空中，对焊接接头进行局部加热，当温度达到材料的再结晶温度时，保温一段时间，此时接头部位的材料原子活性不断增加；当活性增加到一定程度时，用0.01s的时间，对接头施加一个较大的冲击力，这时焊接界面处的材料产生塑性变形，材料表面原子在压力作用下，向金属内部扩散，从而形成有“共同晶粒”的扩散接头。这种方法使有害晶间化合物来不及产生，从而提高了接头强度和生产效率。研究发现在快速加压条件下，原子在固相中扩散速度可大大提高，甚至可能超过液相扩散速度，由于这个原因，原来在一定扩散温度下需要几个小时才能形成的扩散接头，现可瞬时完成。这种方法已经在乌克兰的航空牵引用钛合金链条生产中采用，在实验中用这种方法已生产出多类异种金属扩散接头。文献已经将这种方法引入到钛合金与不锈钢的扩散焊接中，并对脉冲加压扩散连接方法和工艺进行了初步探索，对工艺参数接头组织结构进行了系统的研究。文献对钛合金与不锈钢脉冲加压扩散焊接（不加中间层）进行了探索，得出在T=825℃，P＝8～50MPa，N＝20次，f＝0.5Hz情况下，其接头拉伸强度达到293MPa；并进行了接头热力学分析和金属间化合物生长的动力学计算。

但目前，对于钛合金与不锈钢的脉冲加压扩散焊接仍处于起步阶段，其工艺参数的优化、接头组织结构、接头扩散及工艺参数作用机理等一系列的问题有待于进一步的研究和解决。