钛与不锈钢扩散连接工艺的研究

钛合金与不锈钢的钎焊工艺及接头性能研究的开题报告一、选题背景随着科技的不断进步，钛合金和不锈钢等新型材料在航空、航天、能源等领域得到了广泛应用。

它们具有高强度、耐腐蚀、耐磨损等优点，但在实际生产中，如何将它们相互连接，形成稳定的结构体系，便成为一个重要的问题。

钎焊技术作为一种重要的连接方法，在实际生产中也得到了广泛应用。

因此，在实践中研究钛合金与不锈钢的钎焊工艺及接头性能表现，将有助于促进钛合金和不锈钢的应用，提高连接工艺的效率和质量。

二、研究目的本课题的研究旨在探讨钛合金与不锈钢的钎焊工艺及接头性能，提取其基本规律和特点，进一步完善和提高钎焊技术的稳定性和可靠性。

三、研究内容1. 钛合金与不锈钢的特性分析2. 钎焊工艺的研究包括钎焊工艺的参数选择、钎料的选择以及钎焊过程的控制等研究。

3. 接头性能的研究通过拉剪试验、扭转试验、冲击试验等方法，评价钛合金与不锈钢的接头性能表现。

四、研究方法本研究主要采用实验室研究的方法，通过对钛合金与不锈钢的特性分析，结合钎焊工艺参数的选择，然后对钛合金与不锈钢进行钎焊实验，然后对钎焊过程中的表现进行控制和测试，从而得出钛合金和不锈钢的接头性能表现。

五、研究意义本研究可以为实践中钛合金和不锈钢的钎焊提供理论支持，并为其技术推广提供可靠的参考途径。

此外，本研究还有助于推进新型材料的应用，提高连接工艺的效率和质量，具有一定的工程实际意义。

六、研究进度安排第一阶段：收集资料，撰写文献综述第二阶段：实验室的钎焊工艺研究第三阶段：实验室的接头性能研究第四阶段：结果分析和总结七、参考文献1. 向茜. 钛合金/不锈钢钎焊接头性能的研究[D]. 合肥工业大学, 2015.2. 谢宝珍. 不锈钢/钛合金钎焊接头性能研究[D]. 安徽工业大学, 2013.3. 王茂红. 钛合金与不锈钢的钎焊工艺及接头性能研究[J]. 广州化工, 2017(4): 64-65.。

浅析扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展摘要：钛合金虽然易加工,能够实施切割、研磨、化铣和幢孔,也可以钎焊和焊接,但对于高性能的用途来说,扩散连接可增加这些钛合金的利用性，扩散连接的必需条件是接合面之间的紧密而均匀的接触，这些接合面就是在严格控制的高温下和延长的时间周期内照此保持接触。

关键词：扩散连接技术；钛合金加工；应用；研究进展引言钛合金的优点有很多，如：强度和比刚度高、耐腐蚀性好以及高温力学性能优良等，因而被广泛应用于航空、航天和其他工业领域。

在一些钛合金复杂结构、薄壁精密结构的制造工艺中，由于扩散焊连接具有独特的优势而愈来愈受到重视，对钛合金的研究也逐渐成为扩散焊领域研究的热点之一。

1扩散焊原理及特点所谓固态的扩散焊接是一种获取整体接头的方式，其是通过高温下材料外表的局部塑性变形使接触面之间紧贴来保障连接材料表层上的互扩散，因而产生了原子量级上的结合，便形成了整体的接头。

扩散焊是在可以控制的压力作用下，把处于紧密接触状态的零件，加热到预定的温度并保温一定时间的过程。

这些条件使两个需要连接的零件的表面产生塑性变形与达到最大程度的接近和原子的扩散，从而保证接头与基体材料的强度相同。

扩散焊具有一系列优点，不需要昂贵的钎料、焊条、熔剂和保护气体;此外，也不需要焊后机械加工，因为没有氧化皮、焊渣和焊瘤，从而消除了昂贵金属的损失;不会增加构件的质量，这一点是其他形式的焊接、钎焊和胶接所无法避免的;零件不会发生翘曲以及连接区的金属性能不会发生变化。

真空扩散焊是获得与基底金属等强度的钛及其合金接头的有效方法之一。

首先，零件的形状及尺寸大小允许应用此方法;其次，允许在接头的周围形成真空和施加压力以保证焊接表面间的紧密接触。

扩散焊与熔化焊的不同之处在于:扩散焊时，连接材料的表面并不熔化，因为焊接温度低于基体金属的熔化温度。

它与钎焊的区别在于，熔化了的中间夹层，在扩散的过程中，完全弥散到被焊接的基体材料中去了。

9I ndustry development行业发展钛合金与其它金属材料扩散连接研究现状与发展仇 朋，王 娟，高 慧（莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司，山东 济南 271104）摘 要：钛合金具有耐蚀性、耐热性、高比强度等特点，属于石化、航空、医疗、航天等众多领域应用比较广泛材料之一，但由于传统钛合金一般价格比较昂贵，限制其使用，故研究钛合金生产加工技术，将钛合金与其他金属进行扩散连接，以充分发挥钛合金优势同时降低钛合金造价，推动钛合金进一步应用意义深远。

本文从扩散连接技术、钛合金扩散连接技术现状、钛合金与其它金属材料扩散连接技术应用及发展等方面进行分析，希望可以起到一定借鉴意义。

关键词：钛合金；金属；材料；扩散；连接中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）10-0009-2收稿日期：2020-05作者简介：仇朋，男，生于1991年，汉族，山东诸城人，本科，初级工程师，研究方向：粉末冶金材料技术与管理。

扩散连接属于金属加工技术之一，通过原子之间扩散，形成稳固可靠金属连接，制造出满足生产生活需要的多种金属材料，全面推动经济发展与社会进步。

近些年钛合金应用越来越广泛，加深对其他金属与钛合金扩散连接研究，对于推动钛合金相关金属材料加工技术革新具有重要意义。

1 扩散连接技术分析1.1 扩散连接技术原理扩散连接属于焊接技术之一，主要指在保护气氛下或者压力、高温、真空作用下，相互接触的材料表面因为接触发生局部或者全部塑性变形，再经过一段时间后原子（结合层）相互扩散，最终形成十分稳固材料连接的过程。

同其他焊接方式相比，扩散连接技术所发生扩散与连接并非是宏观意义上塑性变形或者熔化，而是通过固相原子扩散达到稳固连接目的，可有效避免其他焊接方式由于金属等材料出现熔化，影响钛合金质量等缺陷。

且，扩散连接技术可以实现度不同特殊结构与不同材料的可靠连接。

一般将扩散连接技术过程分为物理接触、界面推移及扩散、孔洞与界面消失三个主要环节。

重庆理工大学本科生毕业设计（论文）文献综述论文题目：钛合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接学院：材料科学与工程学院专业：焊接技术与工程姓名：学号：指导教师：完成日期：2015年1月20日瞬间液相扩散连接( TLP-DB) 方法以其独有的性能优势, 在先进材料连接领域得到广泛的重视和应用。

综述了瞬间液相扩散焊中接触熔化、液相均匀化、等温凝固以及固相成分均匀化阶段的理论模型及发展状况,并对现有模型进行了分析和讨论。

随着材料科学的发展，新材料不断涌现。

在生产应用中，经常遇到异种金属的连接问题。

焊接异种金属的方法有很多，主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊、钎焊及瞬间液相扩散连接等。

钛合金与不锈钢的复合构件，能充分体现两种材料在性能与经济上的优势互补，在核动力装置、航空航天、武器装备、电子产业、医疗器械和机械制造等民用和军用行业，具有非常广阔的应用前景。

钛合金与不锈钢焊接时，由于两者的物理化学性能相差较大，且容易形成硬而脆的金属间化合物，使得接头性能难以提高。

瞬间液相扩散连接作为先进的焊接技术，特别适用于常规熔焊、接触焊、钎焊等难以解决的塑性差、熔点高和互不相溶的异种材料的连接。

在瞬间液相扩散连接的过程中加入超声波振动，对焊接件施加纵向超声波，能够提高焊接的质量，缩短焊接的时间，提高焊接的效率。

各种新型材料, 如金属间化合物具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点使其成为极具潜力的高温结构材料, 其中钛合金是潜在的航空航天材料,但是, 金属间化合物的共同缺点: 室温塑性低和高温强度差制约了它们在生产实践中的应用; 现代复合材料, 具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性好、尺寸稳定、耐磨、抗震等优良性能, 其在航空、航天、军工等高技术领域具有极其广阔的应用前景, 但由于复合材料中基体与增强相之间物理、化学性能相差很大, 导致其焊接性很差, 很难获得理想的焊接接头; 陶瓷材料的塑性差, 冷加工困难, 难以制成大型或形状复杂的构件等, 因而这些材料都会不同程度受到实用化问题的挑战。

第1期(总第146期)2008年2月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.1F eb.文章编号:1672-6413(2008)01-0125-03钛合金与不锈钢的超声波扩散焊接张秋峰(南京航空航天大学机电学院,江苏　南京　210016)摘要:研究了1Cr 18N i9T i 与T C4异种金属的固态扩散焊接工艺,在现有的工艺方法上采用超声波加载固态扩散焊接的工艺,并对比超声波加载扩散焊接工艺与传统扩散焊接工艺。

金相分析结果表明:采用超声波加载扩散焊接工艺,使不锈钢与钛合金实现了良好的连接。

关键词:1Cr 18N i 9T i ;T C 4;超声波加载;扩散焊接中图分类号:T G456.9 文献标识码:A收稿日期:2007-05-09;修回日期:2007-09-01作者简介:张秋峰(1981-),男,江苏徐州人,硕士研究生。

0　引言随着材料科学的发展,新材料不断涌现。

在生产应用中,经常遇到异种金属的连接问题。

焊接异种金属的方法有很多,主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊-钎焊及液相过渡焊等。

钛合金与不锈钢的复合构件,能充分体现两种材料在性能与经济上的优势互补,在核动力装置、航空航天、武器装备、电子产业、医疗器械和机械制造等民用和军用行业,具有非常广阔的应用前景。

钛合金与不锈钢焊接时,由于两者的物理化学性能相差较大,且容易形成硬而脆的金属间化合物,使得接头性能难以提高。

扩散焊作为先进的焊接技术,特别适用于常规熔焊、接触焊、钎焊等难以解决的塑性差、熔点高和互不相溶的异种材料的连接。

在扩散焊接的过程中加入超声波振动,对焊接件施加纵向超声波,能够提高焊接的质量,缩短焊接的时间,提高焊接的效率。

1　超声波扩散焊接的原理和过程扩散焊接是压焊的一种,它是指相互接触的表面,在高温、高压的作用下相互靠近,局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接的过程。

钛/钢连接方法的研究作者：刘艳李丽来源：《科技创新导报》 2014年第26期刘艳李丽(广东科技学院广东东莞 523083)摘要：钛与钢的物理和结晶化学性能差异较大，直接连接时接头性能较差，焊接存在较大困难。

采用钎焊或用适当的填充材料隔离固态钛与钢的熔化焊和压力焊，可缓解接头中金属间化合物与脆性相的生成，某种程度对接头性能有所改善。

关键词：钛钢连接研究现状中图分类号：TG406 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)09(b)-0091-01钛金属有“未来金属”的美誉，它具有许多其它金属无法比拟的优点：密度小、强度高、耐腐蚀性及耐高温性能好、抗阻尼性能强，且无磁无毒等特点。

钛已成为航空航天工业中不可缺少的结构材料，并正逐步为原子能、化工、造船、电子、电力、冶金、机械等部门所重视。

但钛难于提炼，是贵金属，限制了它的广泛应用。

钢的价格低廉，具有良好的热电性能及力学性能，工程上常用钛-钢异种金属结构。

然而钛和钢间的物理和结晶化学性能差异较大，钛与钢的连接过程中易产生较大的内应力，且连接过程中易生成大量的金属化合物及碳化物，致使焊缝变脆[1]，为钛与钢的焊接带来了较大的困难。

因此，对钛与钢之间焊接性及连接方法的研究具有重大的理论意义和应用前景。

1 钛/钢的主要焊接方法目前，应用于钛/钢连接的方法主要有熔化焊、压力焊和钎焊。

1.1 熔化焊熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。

常规熔化焊方法焊接时，选择合适的添加材料或中间材料能在一定程度上改善接头的性能，但效果有限，这主要是常规熔化焊方法的热输入较大，难以控制金属间化合物的形成和生长。

李标峰[2]研究了TA5钛与1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接性，采用氩弧焊在不加焊丝的情况下进行焊接，试验结果显示，钛-铁的焊缝中产生了大量的TiFe、Fe2Ti脆性相及低熔点共晶组织，严重脆化焊缝，接头力学性能极差。

在此基础上，李标峰[3]用锰青铜作中间填料所得的钛-铌-铜-钢接头的强度值在240～290MPa范围内，断口位置分别在Ti-Nb界面处及Nb层。

摘要钛合金具有强度高、耐蚀性好及高温机械性能优良等优点，能够广泛地适用于航空、航天、军事等特殊和重要的工业领域。

但是钛合金可加工性能差，并且价格较贵，寻求钛合金可靠的连接方法至关重要。

Ti-6Al-4V，是钛合金中使用最多的合金之一。

不锈钢是一种常用的工业和生活材料，具有许多优异的性能，应用十分广泛，且成本相对较低，然而钢铁的耐蚀性比较差，并且钢铁的比重较大。

因而在某些情况下需要将钢与钛连接起来应用，才能充分发挥各自的优点。

钛合金和钢焊接时接头易产生金属间化合物(Ti2Fe、TiFe、TiFe2等)，焊接后接头内应力很大，造成接头性能较差。

探索更为科学、高效的TC4钛合金和不锈钢焊接方法和焊接工艺，获得性能较好的接头，意义重大。

钛合金和不锈钢的主要焊接方法为真空钎焊。

真空钎焊具有焊接温度较低、钎焊试样不易受杂质气体污染、焊接变形小、残余应力小等特点。

非晶钎料是一种新型的钎料，具有熔点低、焊接性能好，焊接方便等一系列的优点，故选择非晶钎料代替传统的晶态钎料进行真空钎焊。

钛基非晶钎料作为真空钎焊TC4钛合金的重要非晶钎料，具有易于和母材产生相互扩散、成本较低等特有的优点。

本实验采用传统的钛基非晶钎料Ti37.5Zr37.5Ni10Cu15真空钎焊不锈钢和TC4钛合金。

另外通过在钎料Ti37.5Zr37.5Ni10Cu15添加一定量的合金元素Sn，制备出新的钛基非晶钎料Ti33.75Zr33.75Ni10Cu15Sn7.5和Ti32.5Zr32.5Ni10Cu15Sn10，在钎焊TC4与TC4时希望能够降低钎料的熔点，提高可焊性，并保证钎焊接头的力学性能。

对钎料进行XRD测试可以确定三种钎料均为非晶态，对钎料进行DSC测试能够得到钎料的熔点，并且发现Ti32.5Zr32.5Ni10Cu15Sn10非晶钎料的熔点有所降低。

在保温时间为10 min下，选取若干个不同的钎焊温度进行钎焊实验。

对钎焊试样进行显微组织观察和机械性能测试。

第26卷　第4期2006年8月 航　空　材　料　学　报JOURNAL OF AERONAUTI CA L MATER I ALSVol .26,No .4Aug ust 2006脉冲加压扩散连接工艺参数对钛合金与不锈钢接头强度的影响袁新建1,盛光敏1,2,秦　斌1,周　波1,黄家伟1,黄文展1,李　聪2,邱绍宇2(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044;2.核燃料及材料国家重点实验室,成都610041)摘要:采用脉冲加压扩散连接工艺对T A17钛合金与0Cr18Ni9Ti 不锈钢进行了连接试验。

利用液压万能试验机测试了接头拉伸强度,分析了脉冲加压扩散连接工艺参数对接头强度的影响。

结果表明:当连接温度为1098K 、脉冲最小压力P min =8MPa 、脉冲最大压力P m ax =50M Pa 、脉冲次数为20次、脉冲频率为0.5Hz 时,加热速度v h =30K/s,冷却温度v c =5K/s,得到最高的接头拉伸强度为293M Pa,连接所用的有效时间仅为220s,实现了钛合金与不锈钢的高效良好连接。

利用X 射线衍射(X RD )及扫描电镜(SE M )分析了接头组成相及断口形貌,接头界面主要存在β2钛、Fe 2Ti,FeTi,拉伸试验中β2钛的固溶体承担了主要的拉伸力。

关键词:脉冲加压;扩散连接;钛合金;不锈钢;接头强度中图分类号:T G453.9 文献标识码:A 文章编号:100525053(2006)0420051205收稿日期:2005204204;修订日期:2006203203基金项目核燃料及材料国家重点实验室及重庆市应用基础研究资助项目()作者简介袁新建(—),男,硕士研究生,(2)q _y@ 钛及钛合金比强度高、耐蚀性能好;而不锈钢价格较低,是工业上较常用的一种材料。

钛及钛合金与不锈钢的复合构件,能充分发挥两者在性能上与经济上的优势互补[1]。

因此,在航天航空、国防及化学工业等部门也有着广阔的应用前景,开展其连接新工艺的研究,具有非常重要的意义。

南京航空航天大学硕士学位论文TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊接工艺研究姓名：张秋峰申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：谢兰生20080101南京航空航天大学硕士学位论文iv摘要研究钛合金与不锈钢异种金属的焊接，对于合理、充分、高效地利用钛合金材料具有重要意义，同时为综合发挥两种合金各自优良的性能，提高相关产品的适用性开辟了一条新的途径。

本文研究了TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的恒温恒压扩散焊接、超声波加载扩散焊接和相变超塑性扩散焊接三种不同的扩散焊接工艺。

在恒温恒压扩散焊接试验中，研究了焊接温度、焊接压力、焊接时间对接头性能的影响，确定了焊接的最佳工艺参数：T=880℃、 P=10MPa、t=30min；在超声波加载扩散焊接试验中，研究了加载次数对焊接接头性能的影响，确定了最佳工艺参数：T=880℃、P=10MPa、t=30min、N=10次；在相变超塑性扩散焊接试验中，研究了循环上限温度Tmax对接头性能的影响，确定了焊接的最佳工艺参数：Tmin=800℃、Tmax=890℃、P=10MPa、N=30次。

本文分析了扩散焊接的界面结合过程，找到了提高焊接质量的方法。

分析了三种不同的扩散焊接工艺，通过对比它们的最佳接头的金相照片、线扫描照片和显微硬度分布图可以得知：在扩散焊接中超声波加载和循环相变确实能起到促进扩散和提高焊接质量的作用。

关键词：钛合金，不锈钢，扩散焊接，相变，超声波加载TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊接工艺研究ABSTRACTStudying the conjunction of titanium alloy and stainless steel is significant for reasonably, efficiently and fully using titanium alloy. It also develops a new way to synthesize the good properties of two alloys and improve the applicability of the correlative products.The certain temperature and pressure solid-state diffusion process, ultrasonic concussion solid-state diffusion bonding process and phase transformation super plastic diffusion bonding process of the three different proliferations of bonding technology between TC4 titanium alloy and 1Cr18Ni9Ti stainless steel are investigated in this paper. The parameters of bonding temperature, bonding pressure, bonding times’ effect on the quality of joints are determined and found the optimal bonding parameters are T = 880°C, P =10MPa, t =30 min under the certain temperature and pressure solid-state diffusion process; The parameter of the loading times’ effect on the quality of joints are determined and found the optimal parameters are T = 880° C, P = 10MPa, t = 30 min, N = 10 under the ultrasonic concussion solid-state diffusion bonding process; The parameter of the maximum temperature cycle T-max’s effect on the quality of joints are determined and found the optimal bonding parameters are T-min = 800°C, T-max = 890° C, P = 10MPa, N = 30 under the phase transformation super plastic diffusion bonding process.The methods to improve the quality of bonding are found through the discussion of the interface diffusion bonding process. The cycle phase transformation and ultrasonic pressing can really play a role in promoting diffusion bonding by comparing the best joints of the three different bonding processes’ phase photographs, line scanning photos and micro hardness distribution maps.Key Words: Titanium Alloy, Stainless Steel, Diffusion Bonding, Phase Transformation Super Plastic, Ultrasonic Pressingv南京航空航天大学硕士学位论文viii图清单图2. 1试样的微观组织形态 (11)图2. 2扩散焊接设备 (12)图2. 3超声波焊接机的组成图 (13)图2. 4恒温恒压扩散焊接和超声波加载扩散焊接示意图 (17)图2. 5相变超塑性扩散焊接示意图 (18)图2. 6 恒温恒压扩散焊接工艺示意图 (19)图2. 7超声波加载扩散焊接工艺示意图 (19)图2. 8相变超塑性扩散焊接工艺示意图 (20)图2. 9 计点法测量网格 (21)图3. 1不锈钢和钛合金接头的宏观形貌 (23)图3. 2典型焊接接头金相照片(T=880℃ ,P=10MPa, t=30min) (23)图3. 3为不同温度条件下焊接接头的金相照片（P=10MPa, t=30min） (25)图3. 4不同压力条件下焊缝的金相照片（T=880℃,t=30min） (27)图3. 5不同保温时间下的焊接接头金相照片（T=880℃ ,P=10MPa） (28)图3. 6不同保温时间下焊接接头对应的钛合金组织（T=880℃ ,P=10MPa）29图 3. 7不同超声波加载次数下焊接接头金相照片（P=10MPa，T=880℃，t=30min，f=20KHz） (31)图3. 8不锈钢和钛合金接头的宏观形貌 (33)图3. 9焊接接头的金相照片（Tmin＝800℃，Tmax＝890℃，P=10MPa ,N=30次） (34)图 3. 10齿顶焊缝组织扫描电镜图片（Tmin＝800℃，Tmax＝890℃，P=10MPa ,N=30次） (34)图 3. 11齿根焊缝组织扫描电镜图片（Tmin＝800℃，Tmax＝890℃，P=10MPa ,N=30次） (35)图3. 12氩气保护焊接下出现的气孔 (36)图3. 13含不同成分气体的界面气孔变化过程 (37)图3. 14不同循环上限温度下的金相照片(P=10MPa ,N=30次, Tmin＝800℃)38图4. 1两表面间接触的空间示意图 (40)TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊接工艺研究图4. 2界面接合过程示意图 (41)图4 .3界面金属间化合物长大过程示意图 (42)图4. 4扩散机制 (44)图4 .5三种扩散焊接接头的金相组织 (46)图4. 6恒温恒压扩散焊接接头的扫描电镜图片 (46)图4 .7超声波加载扩散焊接接头的扫描电镜图片 (47)图4. 8相变超塑性扩散焊接接头的扫描电镜图片 (47)图4. 9不同焊接工艺下焊接接头的硬度分布曲线 (48).ix承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。