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钛与钢相变超塑性扩散连接的研究
5 N5 l4 `* m/ N$ }/ G 来源:刀网
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3 M0 V9 z: X0 U& J) D% M 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。" v& ]4 K& G2 o. F) y
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。
9 O" G7 `& ?" O4 p 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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9 O; K3 c& y, M! i 关键词 扩散连接 相变超塑性 钛合金 不锈钢 25 钢
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* u9 p6 ~7 P/ t8 _5 o- Q 1 绪论 1.1 引言6 A" i1 l( n. i+ j$ D) l. W
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]。9 D8 @2 x$ V1 q; g$ D
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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8 F( a8 [, k) a" j5 B3 R( @全文下载http://tech.86cut.com/techfiles/image/de3bc0ec-0034-453d-83a7-56376a47798b.gif钛与钢相变超塑性扩散连接的研究 j2 p3 d. W3 F F9 V! e7 I
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