過渡材料在高能束流連接鈦鋼中的應(yīng)用

（南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094）

過渡材料在高能束流連接鈦鋼中的應(yīng)用

李洪強(qiáng)，彭 勇，周 琦，樊新民，郭 順，章王威

（南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094）

鈦與鋼的連接既能滿足性能要求又能降低成本，因此鈦鋼焊接受到了廣泛關(guān)注。鑒于它們的物理性能差異較大，直接連接的強(qiáng)度特別低甚至完全開裂，因此增加中間過渡材料的方法成為研究熱點(diǎn)。高能束流特別是激光和電子束具有能量密度高和焊接熔寬窄的特點(diǎn)，對(duì)焊接鈦鋼具有一定優(yōu)勢(shì)。綜述了高能束流連接鈦鋼接頭時(shí)所添加的過渡材料的種類和應(yīng)用情況。

鈦合金；鋼；中間過渡材料；應(yīng)用情況；高能束流

0 前言

鈦和鈦系合金具有特殊的機(jī)械和冶金性能，如質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐熱性優(yōu)良，因此在航空航天、核能和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域備受關(guān)注的同時(shí)也解決了諸多難題[1]。例如，飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭以超高速飛行時(shí)，它們的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和表面溫度相當(dāng)高[2]，鈦合金比其他金屬合金更適合用來制作熱電阻。但是鈦合金價(jià)格較貴，而結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼具有良好的成形性和經(jīng)濟(jì)性，因此鈦和鋼的連接成為研究的熱點(diǎn)。然而，鈦、鋼的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等物理性質(zhì)差異較大，使得鈦鋼的焊接接頭容易開裂[3-4]。此外，鈦和鋼之間還會(huì)形成多種類似于TiFe和TiFe2的脆性金屬間化合物等，使得鈦鋼焊接的接頭強(qiáng)度非常低[5]。

高能束流特別是激光和電子束焊縫窄、深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接精度高、整體熱輸入低、能量密度高和適應(yīng)性強(qiáng)等，特點(diǎn)并不能從簡(jiǎn)單的工藝角度上來實(shí)現(xiàn)具有一定強(qiáng)度的鈦鋼接頭。在鈦鋼之間增加中間過渡材料來完成焊接是不可或缺的[6-8]。增加中間材料層可以阻隔Ti和Fe，以防止或盡量不產(chǎn)生TiFe和TiFe2脆性金屬間化合物。有時(shí)增加一種中間材料層不夠，可能需要增加兩到三種甚至更多的過渡材料層。但新增加的材料有時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的脆性金屬間化合物，使問題復(fù)雜化，因此如何合理選擇中間材料層成為鈦鋼焊接接頭的研究重點(diǎn)。

1 單種中間過渡材料在高能束流鈦鋼焊接中的應(yīng)用

1.1 銅中間層

銅元素對(duì)鋼中的碳元素的結(jié)合能力比Fe弱，可以與Fe形成共析混合物。此外，銅與Ti能生成一定溶解度的固溶體，其脆性比Fe-Ti形成的化合物低得多[9]。從接頭的結(jié)構(gòu)角度看，銅良好的塑性有利于提升整體強(qiáng)度。因此，銅作為鈦鋼連接的中間層在理論上是可行的，在實(shí)際操作中需要解決氧等的氣體污染以及焊縫中Ti與Cu的熔化量的控制等。

高明等人[10]采用直徑1 mm的Cu3Si絲材作為焊縫填充材料，焊接方式為激光電弧復(fù)合焊接。研究表明，隨著工藝參數(shù)的優(yōu)化，拉伸強(qiáng)度達(dá)212 MPa。所有拉伸試樣都斷裂在CuTi2層，為脆性解理斷裂。而且焊縫的熱輸入在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)Z區(qū)的Fe67-xSixTi33化合物會(huì)由點(diǎn)狀轉(zhuǎn)變?yōu)槿湎x枝狀和樹突狀，同時(shí)FZ區(qū)的上部和下部會(huì)隨著熱輸入的增加變得更加均勻，從而提高接頭強(qiáng)度。

王廷等人[11]采用0.5 mm厚度的純銅作為中間過渡層，結(jié)果顯示銅層全部熔化。根據(jù)鈦側(cè)焊縫區(qū)的形貌特征將焊縫從鈦側(cè)向中間銅層分成三段區(qū)域（區(qū)域代號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。根據(jù)EDS的檢測(cè)結(jié)果可知：Ⅰ區(qū)含有Ti和Ti2Cu，Ⅱ區(qū)含有Ti2Cu、TiCu和TiCu2三種化合物，Ⅲ區(qū)由 Ti43Cu57－xFe（x=21～24）、Ti40Cu60－xFe（x=5～17）和 Cu 的固溶體組成。這些中間相的韌性優(yōu)于Ti-Fe的脆性相，接頭平均硬度為580 HV，可以提高接頭強(qiáng)度至234 MPa。

1.2 釩中間層

釩與鈦和鋼任何一方都不可以無(wú)限互溶，Ti-V和Fe-V二元相圖如圖1所示。因此，采用一定厚度的釩作為鈦鋼接頭的中間層可以阻止Ti和Fe之間的擴(kuò)散。但是釩作為強(qiáng)碳化物形成元素不僅會(huì)與碳生成化合物且還會(huì)與鎳形成VNi，而這些化合物對(duì)接頭有不利影響[12]。

王廷等人[11]采用0.5 mm厚度的純釩作為中間過渡層，選用焊接速度6 mm/s、焊接電流9～12 mA的工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)中電子束焊接。研究表明，由于電子束焊接的冷卻速度較快，釩在TiFe中的溶解量過高，使得接頭的平均硬度達(dá)到1 100 HV，且該硬度高于鈦鋼直接連接接頭的平均硬度，焊后出現(xiàn)斷裂。筆者認(rèn)為當(dāng)硬度高于1 000 HV（鈦鋼直接連接時(shí)的硬度值）時(shí)，接頭會(huì)發(fā)生完全斷裂。

圖1 二元相圖Fig.1 Binary phase diagram of Ti-V and Fe-V

I.Tomashchuk等人[13]采用1.06 mm厚的純釩作為中間過渡層進(jìn)行AlSi316L和Ti6Al4V的激光對(duì)接，且采用的對(duì)比實(shí)驗(yàn)包括單道的對(duì)中焊、雙道焊以及單道雙焦點(diǎn)焊接。研究發(fā)現(xiàn)，即使化學(xué)成分在σ相范圍內(nèi)也不會(huì)生產(chǎn)此相，這是由于焊接時(shí)局部加熱和高焊接速率使熔化區(qū)產(chǎn)生很大的冷卻速度，但是當(dāng)w（Fe）超過30%時(shí)，這些固溶相仍然會(huì)對(duì)裂紋非常敏感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：?jiǎn)蔚篮附荧@得的試樣的拉伸強(qiáng)度最低（130 MPa），斷裂在富釩的固溶體中，原因是Fe、Cr和Ti在此固溶體中會(huì)使其韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于室溫。而雙道焊接的拉伸強(qiáng)度最高（367 MPa），筆者認(rèn)為得到該結(jié)果的條件是Fe-V熔化區(qū)未含有大量的 V。此試樣斷裂在未熔V體與V和Ti6Al4V的熔合區(qū)的界面上，而斷裂的原因是未熔V體的部分退火產(chǎn)生粗大的晶粒。雙焦點(diǎn)焊接得到的試樣的拉伸強(qiáng)度（285 MPa）低于雙道焊接，原因是焊接時(shí)溫度過高使未熔V體產(chǎn)生晶粒粗化。

Ashley Reichardt等人[14]采用激光熔敷增材的方式對(duì)TC4和304L不銹鋼進(jìn)行V粉末的成分過渡研究。實(shí)驗(yàn)中每層材料的配比如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為第126層出現(xiàn)開裂，根據(jù)斷裂處的XRD分析，斷裂是由于生成了脆性相FeTi，由此可見，這種鈦鋼連接接頭需要純V的過渡。隨后，在304L不銹鋼基板上進(jìn)行V的過渡實(shí)驗(yàn)。隨著V含量的增加，F(xiàn)e、Cr和V之間會(huì)生成脆性的σ相最終導(dǎo)致試樣開裂，有效解決以上問題的方法是跳過σ相的成分區(qū)間或增加Cr含量繞過σ相區(qū)。

表1 以V為過渡材料的實(shí)驗(yàn)粉末配比Table 1 Ratio of experimental powder with V as transition material

1.3 鈮中間層

金屬鈮為難熔金屬，熔點(diǎn)2 477℃，因其具有塑性和延展性，可用來連接各種接頭。因Nb的熔點(diǎn)高于鈦合金和鋼，采用激光和電子束進(jìn)行焊接更適宜，另根據(jù)Ti-Nb二元相圖可知，Ti與Nb之間只會(huì)產(chǎn)生固溶體，因此可作為鈦鋼焊接接頭的擴(kuò)散阻擋層。

孫大謙等人[15]采用1 mm厚度的純Nb（99.99%）作為過渡層，用脈沖激光在距離TC4和Nb的對(duì)接處0.2 mm的TC4側(cè)進(jìn)行單道焊接。研究表明，焊接接頭分為Ti-Nb熔合區(qū)、未熔化的Nb區(qū)以及Nb和SS的反應(yīng)層區(qū)，此反應(yīng)層區(qū)是由焊接時(shí)Nb的熱傳導(dǎo)以及另外施加的壓力而發(fā)生原子擴(kuò)散形成。未熔化的Nb可以將TC4和SS分開，因此Ti與Fe、Cr和Ni之間不會(huì)形成脆性金屬間化合物。該試樣的拉伸強(qiáng)度可達(dá)370 MPa且斷裂處位于反應(yīng)層區(qū)。在此斷裂的原因是生成了硬的Nb-Fe金屬間化合物且更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

1.4 鎳中間層

Ni耐蝕性高，與鐵無(wú)限互溶且焊接性良好，與Ti形成的金屬間化合物具有一定的塑性[16]，Ti-Ni二元相圖如圖2所示。同時(shí)，Ni高溫塑性良好，可以降低接頭的脆化，有利于提高焊接接頭強(qiáng)度。

王廷等人[11]采用0.5 mm厚度的純Ni作為中間過渡層，由于Ni的熔點(diǎn)較高，仍有一小部分Ni未熔化。研究表明，Ni沒有阻擋Ti和Fe之間的擴(kuò)散即仍有Fe2Ti相產(chǎn)生，此外Ni與Ti之間還生成了Ni3Ti和Ni2Ti金屬間化合物。以上幾種化合物的脆硬性使得焊縫平均硬度達(dá)到860 HV，而硬度越高，其韌性會(huì)降低，因此，該接頭的拉伸強(qiáng)度僅124 MPa。

圖2 Ti-Ni二元相圖Fig.2 Binary phase diagram of Ti-Ni

2 多種中間過渡材料在高能束流焊接鈦鋼中的應(yīng)用

選擇單種中間過渡材料來連接鈦鋼的目的是阻止Fe與Ti之間生成脆性金屬間化合物，但通常做不到；如果為了增加中間過渡層的阻擋效果而增加中間層厚度則會(huì)降低接頭強(qiáng)度[17]。而且，不適宜的新元素的加入可能會(huì)使問題復(fù)雜化，甚至有時(shí)接頭會(huì)生成三元甚至更多元的脆性金屬間化合物。為了解決以上問題，多種中間過渡材料的研究得以發(fā)展。

2.1 釩-銅/釩中間層

王廷等人[18]采用V-Cu的過渡材料結(jié)構(gòu)成功地連接了Ti6Al2Zr2Mo2V和奧氏體304不銹鋼。研究表明，Cu可以阻止Ti和Fe的擴(kuò)散，因而鈦鋼焊接接頭的實(shí)質(zhì)性問題轉(zhuǎn)變成V作為中間層的Cu和Ti的焊接。但同時(shí)由于Cu的導(dǎo)熱性，接頭仍有一小部分V沒有熔掉。當(dāng)加大電子束功率時(shí)，可將V全部熔掉但會(huì)在Ti側(cè)出現(xiàn)明顯裂紋，原因是過大的熱輸入使得Ti和Fe等元素在焊縫處的熔入量增加從而產(chǎn)生脆性金屬間化合物。為了解決V與Cu之間的熱性質(zhì)差異問題，王廷等人將Cu層改為Cu33V層（含有33%的Cu基合金）進(jìn)行相同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，接頭處金屬全部熔化且未生成脆性金屬間化合物，拉伸強(qiáng)度可達(dá)395 MPa，相當(dāng)于304不銹鋼強(qiáng)度的72%。

2.2 釩-鉻中間層

Sreekar Karnati等人[19]采用激光熔敷的方式和Ti-V-Cr-Fe的過渡方法獲得了可靠的鈦和鋼的成分過渡接頭。當(dāng)激光熔敷過程的冷卻速率大于等于1℃/s時(shí)，可以防止Fe與Cr之間生成σ脆性相，因而在微觀金相圖中會(huì)出現(xiàn)少量氣孔。最終該過渡接頭幾乎不存在純金屬區(qū)域，其中的元素都是以固溶體形式存在，且最高硬度值為425.3 HV，沒有明顯的脆性相生成。

3 結(jié)論

最適合鈦鋼連接的元素為釩，原因是鈦合金與鋼中的最主要元素為Fe和Ti，只有元素釩能與兩者形成無(wú)限固溶體即可以避免生成脆硬的金屬間化合物。同時(shí)，具有隔絕Ti和Fe的純釩本身強(qiáng)度較低，為了使其合金化提高強(qiáng)度必須添加另一種中間元素，例如Cu和Cr。雖然應(yīng)用金屬釩獲得的接頭強(qiáng)度較高，但從成本和工藝實(shí)現(xiàn)的角度看，滿足生產(chǎn)實(shí)際還需要更深入的研究和提高。

對(duì)于應(yīng)用高能束流焊接鈦鋼，合理匹配過渡材料的種類和成分是將來從冶金方面提高接頭強(qiáng)度的根本方法，同時(shí)應(yīng)改善焊接設(shè)備和工藝以精確控制熔化區(qū)域位置及形狀等。此外，近年來用增材方法獲得的過渡接頭比普通焊接接頭在結(jié)構(gòu)上更加均勻且在過渡材料成分的把控上也更加精確。Hofmann等人[20]采用增材方法得到可靠的304不銹鋼與Invar36的功能梯度接頭。因此，采用增材方式來獲得高強(qiáng)度的鈦鋼接頭的前景也非常廣闊。

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Application of transition materials in the connection of Titanium alloys and steel by high energy beam

LI Hongqiang，PENG Yong，ZHOU Qi，F(xiàn)AN Xinmin，GUO Shun，ZHANG Wangwei
（School of Material Science and Engineering，Nanjing University of Science ＆ Technology，Nanjing 210094，China）

The connection of titanium alloy and steel can meet the requirements of performance but also reduce the cost，so the problem of welding titanium and steel have been widely concerned.However，due to their great differences in properties，the strength of the direct connection is extremely low or even completely cracked，so the method of increasing intermediate transition materials has become the focus of research.In addition，high energy beam especially laser and electron beam has the characteristics of high energy density and small weld width so that welding of titanium and steel has certain advantages.In this paper，the types and application of transitional material added when welding the joint of titanium and steel by high energy beam are reviewed.

titanium alloy；steel；intermediate transition material；application；high energy beam

TG457

A

1001－2303（2017）11－0027-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.05

本文參考文獻(xiàn)引用格式：李洪強(qiáng)，彭勇，周琦，等.過渡材料在高能束流連接鈦鋼中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：27-30.

2017-06-07；

2017-08-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51505226，51375243）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20140784）

李洪強(qiáng)（1992—），男，在讀碩士，主要從事電子束增材制造的研究。E-mail：lihongqiang_lhq@163.com。

周 琦。E-mail：cheezhou@126.com。