鈦合金與不銹鋼的焊接性分析

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材料，如果采用熔化焊接的方法進行二者的連接則加熱溫度很高，在焊接加熱和冷卻的過程中會產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。另外二者的熔點相差140℃，在焊接過程中熔點低的材料達到熔化狀態(tài)時，熔點高的材料仍呈固體狀態(tài)，這時已經(jīng)熔化的材料容易滲入過熱區(qū)的晶界，會造成低熔點材料的流失、合金元素燒損或蒸發(fā)，使焊接接頭難以焊合。

二者熱導率和比熱容的差異。材料的熱導率和比熱容會使焊縫金屬的結(jié)晶條件變壞，晶粒嚴重粗化，并影響難熔金屬的潤濕性能。二者線膨脹系數(shù)的差異。鐵的線膨脹系數(shù)大約是鈦的1.5倍。線膨脹系數(shù)越大的材料，熱膨脹率越大，冷卻時收縮也越大，而線膨脹系數(shù)不同的異種材料的焊縫結(jié)晶時就會產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。這種焊接應(yīng)力不易消除，往往會導致產(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，容易導致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導致焊縫金屬與母材的剝離。氧化產(chǎn)物也會顯著降低焊縫金屬的強度和塑性。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℃以上開始吸收氫，在400℃以上開始吸收氧，從600℃開始吸收氮。焊接材料的氧化會使得焊接區(qū)被這些氣體污染而脆化，甚至產(chǎn)生氣孔。異種金屬連接結(jié)構(gòu)具有組元金屬的綜合性能優(yōu)勢，但是由于異種金屬之間物理、化學和力學性能差異巨大，采用常規(guī)焊接方法容易出現(xiàn)冶金不相容性的問題，在界面形成脆性化合物相，以及由于熱物理性能不匹配產(chǎn)生殘余應(yīng)力等嚴重影響焊接質(zhì)量和性能的問題，因此大大限制了異種金屬焊接結(jié)構(gòu)在工業(yè)上的應(yīng)用。在進行鈦合金與不銹鋼的連接時，解決上述問題的關(guān)鍵在于對脆性相的種類、數(shù)量、分布形態(tài)進行研究，對其加以控制和改善，以提高接頭的塑性和韌性。同時需要選用適當?shù)暮附臃椒昂附庸に噮?shù)，減小焊接應(yīng)力，減小連接界面的金屬間化合物的體積分數(shù)，采用有效的保護措施，避免焊接時被焊材料的氧化及吸氣，從而實現(xiàn)二者高質(zhì)量的連接。

二者之間的金屬間化合物的問題。由于鈦的金屬性活潑，與多數(shù)金屬連接時將在界面上形成脆性相。鈦合金與不銹鋼連接時同樣也存在著金屬間化合物和材料氧化的問題。鐵與鈦極易生成金屬間化合物，如TiFe、TiFe2、Ti2Fe等，由于金屬間化合物具有較大的脆性使接頭脆化，在焊接應(yīng)力的作用下容易導致焊縫產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，導致接頭的塑性和高溫性能變差，焊接質(zhì)量下降，給二者之間的焊接帶來了很大的困難。鈦在溫度為1155K時發(fā)生相變，高溫時以體心立方晶格β-Ti形式存在，溫度較低時為密排立方晶格的α-Ti。鐵在α-Ti中的固溶度很小，在室溫下僅為0.05%~0.1%，在共析溫度下不超過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，鐵在β-Ti中的固溶度達到最大值25%。在β-Ti中固溶了鐵之后，可以使其相變點溫度降低，當β-Ti中鐵含量達到一定值時，β-Ti將會被保留至室溫，隨著β-Ti中鐵含量的進一步增高，在冷卻過程中，將會造成鐵在鈦中的過飽和，進而超過其在鈦中的固溶度而形成金屬間化合物。不銹鋼中的合金元素鉻和鎳也能夠與鈦形成脆性的金屬間化合物，同時鈦還是強碳化物形成元素，與鋼中的碳會化合形成形成脆性的TiC。鈦、鐵、鉻和鎳之間還可能形成多元復合脆性金屬間化合物，使焊縫進一步脆化，進一步降低接頭性能。