钛与钢相变超塑性扩散连接的研究

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钛与钢相变超塑性扩散连接的研究
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- Q* i3 Y3 o! b# l# a; ?" `+ A　　摘 要　　钛金属在金属结构材料中仅次于铁、铝、镁，居第4 位，被誉为发展中的第3金属材料。钛及其合金由于具有强度高、密度小、耐腐蚀、无磁、焊接性能好等一系列特点，一直受到世界各国的重视，发展迅速。近年来，钛在石油、化工、汽车、生物医学和文体用品等领域开始得到应用，并已成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料。对于异种材料的连接，采用传统的熔焊方法很难实现可靠的连接，扩散连接作为固相连接方法之一，具有工艺简单、可操作性强、可连接大断面接头、零件变形小;连接接头质量好等优点。
　　本文通过对TC4 钛合金与Custom465 不锈钢，TC4 钛合金与25 钢进行了相变超塑性扩散连接的可行性研究，利用扫描电镜、能谱仪、X 射线衍射仪等方法对接头界面组织结构、物相组成等进行了较为系统的分析，研究钛合金与钢中元素扩散和金属间化合物形成的规律，在拉伸断裂机理分析的基础上，对钛合金与钢异种材料扩散连接的方式进行了对比分析。
　　结果表明，通过对钛与不锈钢直接扩散连接接头研究发现，钛与不锈钢之间形成扩散层，Fe在钛合金侧发生了明显的扩散，界面相主要由FeC3、TiC、α-Fe、FeCr，β-Ti、FeTiO3等组成;对TC4/Ni/Custom465接头的研究表明，钛合金与镍中间层发生了强烈的互扩散，形成了明显的白亮扩散层，镍中间层两侧的Fe、Ti等元素的扩散没有穿透镍中间层，镍中间层的存在对两侧的Fe与Ti元素之间的互扩散起到了极为有效的阻隔作用。对比直接扩散连接接头，加入镍中间层后的接头焊合率有显著的提高，接头拉伸强度可达到348.45MPa。因此，合理的中间层对异种材料扩散连接接头有着重要的作用。对加Ni中间层的钛合金与25钢扩散连接接头扫描电镜分析发现，接头界面处形成了多层次的层状组织，结合接头能谱分析及X射线衍射分析表明在界面上存在NiTi2、NiTi、Ni3Ti、FeNi3、FeNi等多种金属间化合物;断口分析表明，在TC4钛合金侧有裂纹存在，断口为混合型，局部区域存在解理面和韧窝状的凹坑;对在高压力条件下无Ni中间层的钛合金与25钢扩散连接接头扫描电镜观察、能谱分析、X射线衍射分析，表明界面存在清晰的分界层，主要由α -Ti、Ni3Ti、Al3Ti 、FeTiO3等物相组成。
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/ R+ s  ?  [  @3 z/ v& E　　关键词　　扩散连接 相变超塑性 钛合金 不锈钢 25 钢

　　1 绪论　　1.1 引言
! f6 Z5 {  S" S& T( B4 r　　钛金属在金属结构材料中仅次于铁、铝、镁，居第4位，被誉为发展中的第3金属材料。我国钛储量居世界首位，占世界1/2以上。由于钛及其合金具有强度高、密度小、耐腐蚀、无磁、焊接性能好等一系列特点，一直受到世界各国的重视，发展迅速[1]。近年来，钛在石油、化工、汽车、生物医学和文体用品等领域开始得到应用，并已成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个新的发展阶段[2]。
　　在高尔夫球具行业，不锈钢作为一种制造高尔夫球杆头的传统材料，它的内耗值略高，这对减少打击能量损耗稍有不利，不过它的高弹性模量(200GPa)保证了击球时变形量小，所以，不锈钢至今仍是传统球杆头用得最多的一种材料。而钛合金的弹性模量低于不锈钢，但它内耗和密度都小，所以用它来制造超尺寸的杆头并相应增加击球面厚度却相当有效。用钛合金制造的高尔夫球杆头，其体积可以由早期的约190ml变得更大，甚至超过650ml，而且质量能均匀分布在球头的周围。这样，球杆在击球时，将产生较大的弧长而带来更大的球速，使击球距离明显增大;同时由于球头质量集中于球头周围，球杆有效的防扭曲性能会使击球线路更直[3]。在广泛的试验中，高尔夫球手用钛球头的击中率比用钢球头的击中率平均可提高20%，而且击球距离有所提高[4]。由于钛合金所具有优异特性，使其一进入高尔夫球具行业就受到高尔夫球头制造商的青睐。根据美国Echelon公司的测定结果，钛合金的头球，与在相同条件下的铝合金和不锈钢相比，其飞行距离可分别提高24%和20%，击球时比一般杆头在感觉上要舒服得多，且球的飞行轨迹相对较平直。但钛合金价格高，制造钛合金杆头的成本亦相当高，故钛合金杆头售价昂贵，达300—400美金。若使用钛与不锈钢的连接材料，既能保持全钛合金球杆头的性能，又可降低成本与售价，还能将整支球杆的重心调整到更合理的位置，提高其击中率。四川先拓体育用品有限公司在1992年开始研制了在不锈钢体镶钛合金击球面板的球杆头(Ti-Face铁头）[5]。但是，如何把不锈钢固定在钛中迄今为止仍然是一个难题。
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