论文总字数：20464字

摘 要

Ti的抗腐蚀性能优异，但由于Ti的化学性质活泼，冶炼困难导致成本高昂，多年来仅应用在如航空航天等高端领域中，而碳钢是最常见的金属，成本较低且强度高，却极易腐蚀。所以探究出一种可靠的Ti/Fe复合工艺可以将Ti和碳钢两者的优点结合起来，对于低成本防腐有着重要的意义。

阻挡Ti的扩散是复合Ti/Fe的主要问题，Ti扩散至钢基体中，会产生TiC以及TixFey等有害的脆性金属间化合物，严重影响复合界面的力学性能。

本文以探究一种可在低温下复合Ti/碳钢的复合工艺为目的，使用TA2和20钢为母材，AgCuZn合金为填充金属，以真空钎焊技术进行复合。通过对20钢母材进行分层电镀和复合电镀两种表面处理方式来改变Ni、Cr两种金属的添加量以及分布形态来阻挡Ti的扩散，防止有害金属间化合物的生成。分别在770℃、800℃以及830℃进行复合保温20min。使用H₂O:HNO₃:HF=7:2:1的侵蚀液侵蚀后通过光学显微镜观察其金相组织，可以观察到在770℃下，Cr/Ni层可以有效的阻挡Ti的扩散，Ti的扩散范围随着温度的升高而变宽。对试样进行力学性能测试，其中剪切强度最高的是Cr/Ni分层镀在770℃下复合的样品，剪切强度可以达到139.41MPa。

关键词： Ti/Fe异种金属复合 真空钎焊 Ag-Cu-Zn系中间层

Study of Ti/Fe bonding process with Ag-Cu-Zn interlayer added

Abstract

Ti has excellent corrosion resistance, but due to its active chemical nature and smelting difficulties, it has high costs. For many years, it has only been used in high-end fields such as aerospace, and carbon steel is the most common metal with low cost and high strength. , But very easy to corrode. Therefore, exploring a reliable Ti / Fe composite process can combine the advantages of both Ti and carbon steel, which is of great significance for low-cost corrosion protection.

Blocking the diffusion of Ti is the main problem of composite Ti / Fe. When Ti diffuses into the steel matrix, it will produce harmful brittle intermetallic compounds such as TiC and TixFey, which seriously affect the mechanical properties of the composite interface.

The purpose of this paper is to explore a composite process that can compound Ti / carbon steel at low temperature, using TA2 and 20 steel as the base material, AgCuZn alloy as the filler metal, and compounding with vacuum brazing technology. The layered plating and composite plating of 20 steel base materials are used to change the amount and distribution of Ni and Cr metals to block the diffusion of Ti and prevent the formation of harmful intermetallic compounds. Compound heat preservation was carried out at 770 ℃, 800℃ and 830℃ for 20min. Observing its metallographic structure through an optical microscope, it can be observed that, the Cr / Ni layer can effectively block the diffusion of Ti at770℃, and the diffusion range of Ti becomes wider as the temperature increases. Test the mechanical properties of the samples. The highest shear strength is the sample with Cr / Ni layered at 770 ℃. , The shear strength can reach 139.41MPa.

Key words: Ti/Fe dissimilar metal bonding vacuum brazing Ag-Cu-Zn intermediate layer

目录

添加Ag-Cu-Zn系中间层的Ti/Fe复合工艺的研究 I

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2Fe Ti基异种金属复合的研究现状 1

1.3Ag-Cu-Zn系中间层合金的研究现状 3

1.3.1Ag-Cu-Zn系合金的优点以及应用领域 3

1.3.2合金元素对Ag-Cu-Zn合金的影响 4

1.3.3杂质元素对Ag-Cu-Zn中间层合金的影响 5

1.4本文研究内容 6

第二章 实验材料以及实验方案 7

2.1实验材料与实验设备 7

2.1.1 实验材料 7

2.1.2 实验设备 7

2.2 实验方案 8

2.2.1 实验样品制备 8

第三章 实验结果与分析 11

3.1金相显微组织观察及分析 11

3.1.1 Ni、Cr分层镀焊缝的金相组织观察及分析 11

3.1.2 Ni、Cr复合镀焊缝的金相组织观察 15

3.2 力学性能测试结果及分析 19

3.2.1 力学性能测试的结果 19

3.2.2 力学性能测试结果的分析 21

第四章 结论与展望 22

结论 22

展望 22

参考文献 23

致谢 25

1. 绪论

1.1前言

Ti和Ti的合金具有较强的强度重量比，且由于Ti在常温下生成的惰性氧化膜致密，抗腐蚀性能优异，因此被广泛应用在航空航天、化工、军工、以及高档汽车等领域。Ti在地壳中的储量比较丰富，居所有元素的第十位，我国也是Ti资源大国，但是Ti的冶炼过程复杂，这使得Ti及Ti合金的成本较高，无法更为广泛的应用在其他的领域。而将钛与碳钢通过某种手段连接在一起，这样既可以利用Ti的优异性能，又可以控制成本，便于更为广泛的应用在生物医药，核能等领域。

异种金属的可焊接性与两种材料的冶金性能、物理性质以及化学性质有关。根据Ti-Fe二元相图，在室温下，Fe在Ti基体中的固溶度仅为0.05%-0.1%。低温时Fe在Ti中的固溶度低，高温时Fe在Ti中的固溶度高，这是由于在低于882℃时，金属Ti是密排六方晶格α-Ti，在高于882℃时，转变为体心立方晶格的β-Ti，所以在焊接冷却后，Fe在Ti中的固溶度降低，导致Fe过饱和析出，和Ti发生反应形成脆性金属间化合物FeTi、Fe₂Ti。从物理性质角度来看，Fe和Ti的线膨胀系数和热导率相差较大，这就导致在熔化焊接的过程中，两种金属的形变量不同，冷却后二者的收缩不一致，在接头处产生较大的残余应力，易产生裂纹。Ti的化学性质活泼，Ti与碳钢中的Fe、C等元素的反应焓较低，易生成各种脆性的Ti基金属间化合物。所以要得到可靠的Ti/Fe接头，就需要有一种可以克服以上困难的中间层金属，经过查阅文献，我们选择Ag-Cu-Zn系合金，并研究其作为钎料在复合Ti/Fe时得到的接头性能。

1.2Fe Ti基异种金属复合的研究现状

在前文中，已经提到过Ti及Ti合金与异种金属复合的难点，为了克服上述的难点，人们做过多种尝试。由于Fe-Ti金属间化合物的存在，在连接Ti与碳钢时，直接熔焊和直接扩散焊的方法是不适用的。为了去除Ti与不锈钢连接时接头中的脆性Fe-Ti金属间化合物，Gang Mou[1]等人探究了通过在冷金属转移电弧钎焊(CMT法)的过程中添加Ni对接头性能的影响，结果表明，在作为钎料的纯Cu丝中加入Ni可以有效的去除Fe-Ti金属间化合物，Fe原子以(Ni，Fe)固溶体的形式存在，当采用CuNi10线材为中间层时，接头的抗拉强度最高可以达到334MPa，Ni的含量过高，接头的力学性能会降低。含Ni中间层虽然可以阻止Ti和Fe的相互扩散，但是得到的接头强度不高。陈一帆[2]等人探究了以Nb Cu为复合中间层真空扩散焊接TC4钛合金和15-5PH不锈钢，Nb Cu组成的中间层可以有效的组织Ti、Fe、Cr的相互扩散，15-5PH/Cu、Cu/Nb、Nb/TC4这三个界面连接良好，接头的抗拉强度最高可以达到540MPa。Wei Li[3]的团队利用激光金属沉积法（LMD），探索了一种连接Ti6Al4V和SS316不锈钢的工艺，采用Ti6Al4V→V→Cr→Fe→SS316的过渡合成路线，避免了生成Ti6Al4V与SS316之间的金属间相。通过X射线衍射(XRD)对依照此法制备的薄壁样品进行了测试。结果表明，该方法有效地避免了金属中间相的生成，复合界面的剪切强度和抗拉强度大大提升。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱分析(EDS)进行微观结构表征和元素分布分析。扫描电镜(SEM)结果表明，快速凝固导致了拉伸组织的形成。EDS结果可以反映过渡合成路线的设计。此外，在EDS结果中还检测到了金属的扩散。通过维氏硬度试验观察了从Ti6Al4V到SS316的VHN分布。维氏硬度测定结果表明，未见明显的金属间相形成。与直接在Ti6Al4V上沉积SS316相比，采用新的过渡路线可以有效地消除Fe-Ti金属间化合物。然而激光金属沉积的方法是受限的，这种方法需要复杂的设备，也能得到适用的成品，但是生产成本过高，这违背了我们降低应用成本的初衷。鞍钢集团钢铁研究院使用机械复合手段，结合真空复合组坯和热轧技术制得了TA2/Q345B复合板材[4]，研究结果表明，在TA2和Q345B的复合界面上形成了连续的冶金结合，板复合界面易形成非均匀分布缺陷，该缺陷对Ti/Fe复合板的拉伸性能和冲击性能影响较小，但对抗剪切性能和弯曲性能影响较大。除此之外，这种复合手段未能阻挡Ti的扩散，使得在复合界面生成了块状的脆性TiC，这两种缺陷是接缝裂纹产生的源头，会严重的影响接缝的使用寿命。摩擦焊也是一种可以得到具有高强度Ti/Fe复合接头的方法，JinSun.L[5]和Kimura.M[6]等人的研究显示，摩擦焊能得到高强度的Ti钢接头不是消除了FeTi、Fe₂Ti和TiC等有害的金属间化合物，而是因为摩擦焊接的特性将这些金属间化合物均匀弥散分布在复合界面附近，这也为得到高强度的Ti/Fe接头提供了一种思路。Yueqing Xia[7]等人探究了以Ti-Cu非晶填充金属真空钎焊Ti6Al4V和316L不锈钢钎焊工艺参数对Ti6Al4V/316L接头组织性能的影响，研究结果表明复合界面的剪切强度随着复合温度的升高先升高后降低，随着保温时间的延长降低。在960°C保温5分钟的条件下，剪切强度最高达到65MPa，断裂发生在Fe₂Ti和γ-(Fe、Ni) τ反应层，两种基本金属之间的收缩差产生的应力集中在Ti-Cu-FeFe₂Ti界面。与钎焊温度相比，钎焊时间对组织演变的影响较小。Jung Gu Lee和Min-Ku Lee[8]研究了用Ag- Cu合金钎料和Ag夹层钎焊的具有Ti(基体)/ TiAg/富Ag固溶体/STS(基体)层状结构的Ti-STS异种接头的微观结构和力学行为。在垂直于接头界面的拉伸载荷作用下，多相材料中Ti-STS连接试样在等应力条件下发生弹性变形，具体来说，在富Ag固溶层与STS基体金属间相边界处产生弹性相互作用应力，以保持应变在界面上的连续性。这种弹性相互作用通过阻碍富Ag固溶体层的机械屈服，使接头抗拉强度达到440 MPa。屈服后，塑性变形主要集中在富Ag固溶体层，最终断裂沿该层以韧性方式进行。

1.3Ag-Cu-Zn系中间层合金的研究现状

1.3.1Ag-Cu-Zn系合金的优点以及应用领域

常规的钎料存在润湿性差以及容易产生脆性金属间化合物等问题，Ag-Cu-Zn合金中，Zn的挥发性可以有效的改善合金的润湿性。Ag-Cu-Zn系中间层合金主要可以分为含镉和无镉两类，经过多年的发展已经发展出十多种种类，表1-1和表1-2列出了一些主要的含镉和无镉Ag-Cu-Zn钎料。

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