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钛合金与塔器设计厂家不锈钢的焊接性分析

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钛合金与塔器设计厂家不锈钢的焊接性分析

发布日期:2018-05-12 作者: 点击:

    钛合金的主要成分钛和不锈钢的主要成分铁都属于高熔点材料,如果塔器设计厂家采用熔化焊接的方法进行二者的连接则加热温度很高,在焊接加热和冷却的过程中会产生很大的焊接应力。另外二者的熔点相差140℃,在焊接过程中熔点低的材料达到熔化状态时,熔点高的材料仍呈固体状态,这时已经熔化的材料容易渗入过热区的晶界,会造成低熔点材料的流失、合金元素烧损或蒸发,使焊接接头难以焊合。

  二者之间的金属间化合物的问题。由于钛的金属性活泼,与多数金属连接时将在界面上形成脆性相。钛合金与不锈钢连接时同样也存在着金属间化合物和材料氧化的问题。铁与钛极易生成金属间化合物,如TiFe、TiFe2、Ti2Fe等,由于金属间化合物具有较大的脆性使接头脆化,在焊接应力的作用下容易导致焊缝产生裂纹甚至断裂,导致接头的塑性和高温性能变差,焊接质量下降,给二者之间的焊接带来了很大的困难。钛在温度为1155K时发生相变,高温时以体心立方晶格β-Ti形式存在,温度较低时为密排立方晶格的α-Ti。铁在α-Ti中的固溶度很小,在室温下仅为0.05%~0.1%,在共析温度下不超过0.5%。铁是β-Ti稳定元素,在β-Ti中的固溶度比在α-Ti中的大,在共晶温度1355K时,铁在β-Ti中的固溶度达到较大值25%。在β-Ti中固溶了铁之后,可以使其相变点温度降低,当β-Ti中铁含量达到一定值时,β-Ti将会被保留至室温,随着β-Ti中铁含量的进一步增高,在冷却过程中,将会造成铁在钛中的过饱和,进而超过其在钛中的固溶度而形成金属间化合物。

  不锈钢中的合金元素铬和镍也能够与钛形成脆性的金属间化合物,同时钛还是强碳化物形成元素,与钢中的碳会化合形成形成脆性的TiC。钛、铁、铬和镍之间还可能形成多元复合脆性金属间化合物,使焊缝进一步脆化,进一步降低接头性能。

  二者热导率和比热容的差异。材料的热导率和比热容会使焊缝金属的结晶条件变坏,晶粒严重粗化,并影响难熔金属的润湿性能。二者线膨胀系数的差异。铁的线膨胀系数大约是钛的1.5倍。线膨胀系数越大的材料,热膨胀率越大,冷却时收缩也越大,而线膨胀系数不同的异种材料的焊缝结晶时就会产生很大的焊接应力。这种焊接应力不易消除,往往会导致产生很大的焊接变形。由于焊缝两侧材料承受的应力状态不同,容易导致焊缝及热影响区产生裂纹,甚至导致焊缝金属与母材的剥离。氧化产物也会显著降低焊缝金属的强度和塑性。钛和不锈钢在高温下易氧化,从而降低接头质量。高温下钛易于与空气中的氢、氧和氮发生反应。钛在250℃以上开始吸收氢,在400℃以上开始吸收氧,从600℃开始吸收氮。焊接材料的氧化会使得焊接区被这些气体污染而脆化,甚至产生气孔。异种金属连接结构具有组元金属的综合性能优势,但是由于异种金属之间物理、化学和力学性能差异巨大,采用常规焊接方法容易出现冶金不相容性的问题,在界面形成脆性化合物相,以及由于热物理性能不匹配产生残余应力等严重影响焊接质量和性能的问题,因此大大限制了异种金属焊接结构在工业上的应用。在进行钛合金与不锈钢的连接时,解决上述问题的关键在于对脆性相的种类、数量、分布形态进行研究,对其加以控制和改善,以提高接头的塑性和韧性。同时需要选用适当的焊接方法及焊接工艺参数,减小焊接应力,减小连接界面的金属间化合物的体积分数,采用有效的保护措施,避免焊接时被焊材料的氧化及吸气,从而实现二者高质量的连接。


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