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1 物理性能差異的影響
鈦合金與不銹鋼二者在物理性能方面存在以下幾點(diǎn)差異:首先,鈦合金的主要成分鈦和不銹鋼的主要成分鐵都屬于高熔點(diǎn)材料,如果采用熔化焊接的方法進(jìn)行二者的連接則加熱溫度很高,在焊接加熱和冷卻的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。并且鈦合金的熔點(diǎn)比不銹鋼高,在焊接過(guò)程中熔點(diǎn)低的材料達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí),熔點(diǎn)高的材料仍呈固體狀態(tài),這時(shí)已經(jīng)熔化的材料容易滲入過(guò)熱區(qū)的晶界,會(huì)造成低熔點(diǎn)材料的流失、合金元素?zé)龘p或蒸發(fā),使焊接接頭難以焊合;其次,鈦合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)大約是不銹鋼的2倍,而線(xiàn)膨脹系數(shù)不同的異種材料的焊縫,結(jié)晶時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生很大的焊接變形。由于焊縫兩側(cè)材料承受的應(yīng)力狀態(tài)不同,容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。以18-8不銹鋼和TA15鈦合金為例,表1給出了兩者之間的物理性能差異。
2 化學(xué)性能差異的影響
不銹鋼中主要合金元素是鐵,不銹鋼與鈦易形成金屬間化合物TiFe和TiFe2,不銹鋼中的碳、鉻、鎳等其它元素在較高溫度下也可與鈦形成TiNi5、TiNi2、TiCr2等多元復(fù)合脆性金屬間化合物,使焊縫進(jìn)一步脆化,進(jìn)一步降低接頭性能。鈦在溫度為1155K時(shí)發(fā)生相變,高溫時(shí)以體心立方晶格β-Ti型式存在,溫度較低時(shí)為密排立方晶格的α-Ti。鐵在α-Ti中的固溶度很小(見(jiàn)圖1),室溫下僅為0.05%~0.1%,在共析溫度下不超過(guò)0.5%。鐵是β-Ti穩(wěn)定元素,在β-Ti中的固溶度比在α-Ti中的大,在共晶溫度1355K時(shí),鐵在β-Ti中的固溶度達(dá)到zui大值25%。在β-Ti中固溶了鐵之后,可以使其相變點(diǎn)溫度降低,當(dāng)β-Ti中鐵含量達(dá)到一定值時(shí),β-Ti將會(huì)被保留至室溫,隨著β-Ti中鐵含量的進(jìn)一步增高,在冷卻過(guò)程中,將會(huì)造成鐵在鈦中的過(guò)飽和,進(jìn)而超過(guò)其在鈦中的固溶度而形成金屬間化合物。同時(shí)鈦是強(qiáng)碳化物形成元素,易與鋼中的碳元素形成脆性的TiC,導(dǎo)致焊縫脆性增大,容易產(chǎn)生裂紋。
鈦具有較強(qiáng)的吸收氣體的特性,在高溫下對(duì)氧、氮、氫有較高的化學(xué)親和力,易形成脆性化合物,使強(qiáng)度顯著提高,而塑性和韌性急劇下降,顯著地增加脆性斷裂傾向及裂紋形成。氧化產(chǎn)物也會(huì)顯著降低焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性。鈦和不銹鋼在高溫下易氧化,從而降低接頭質(zhì)量。高溫下鈦易于與空氣中的氫、氧和氮發(fā)生反應(yīng)。鈦在250℃以上開(kāi)始吸收氫,在400℃以上開(kāi)始吸收氧,從600℃開(kāi)始吸收氮。焊接材料的氧化會(huì)使得焊接區(qū)被這些氣體污染而脆化,甚至產(chǎn)生氣孔。
在進(jìn)行鈦合金與不銹鋼的連接時(shí),解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵在于通過(guò)控制和調(diào)節(jié)界面處的元素?cái)U(kuò)散,對(duì)界面處脆性相的種類(lèi)、數(shù)量、分布形態(tài)進(jìn)行研究和改善,以提高接頭的塑性和韌性。同時(shí)需要選用適當(dāng)?shù)暮附臃椒昂附庸に噮?shù),減小焊接應(yīng)力,從而實(shí)現(xiàn)二者高質(zhì)量的連接,獲得性能優(yōu)良的連接接頭。
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