表面自納米化不銹鋼與鈦合金擴(kuò)散連接研究.pdf

1、在異種金屬材料的固態(tài)擴(kuò)散連接過程中，為了實(shí)現(xiàn)原子的互擴(kuò)散和有效的冶金結(jié)合，需在較高溫度下進(jìn)行長時間連接。但由于異種金屬材料之間存在較大的物理、化學(xué)和力學(xué)性能差異，在連接界面處易生成較厚的金屬間化合物，擴(kuò)散層晶粒粗化，接頭內(nèi)應(yīng)力增大，從而惡化了接頭的力學(xué)性能。針對這一困擾工程界多年的問題，本文采用高能噴丸(High energy shot peening，HESP)工藝，對0Cr18Ni9Ti不銹鋼與TA17近α鈦合金的連接界面進(jìn)行表面自

2、納米化(Surfaceself-nanocrystallization，SSNC)處理，獲得了一定厚度的納米晶組織，以期望促進(jìn)原子在擴(kuò)散連接過程中的互擴(kuò)散，降低連接溫度，縮短連接時間，抑制脆性金屬間化合物的生長，改善接頭組織，提高接頭力學(xué)性能。這由于表面自納米化納米組織中含有高體積分?jǐn)?shù)的晶界，能夠?yàn)樵訑U(kuò)散提供大量通道，同時納米組織中具有較高的吉布斯自由能，降低了原子的擴(kuò)散激活能，有利于提高擴(kuò)散連接過程中原子的擴(kuò)散系數(shù)。
　　

3、文中對高能噴丸處理后的不銹鋼和鈦合金的納米組織進(jìn)行了表征；試驗(yàn)研究了不銹鋼和鈦合金表面層納米組織的熱穩(wěn)定性；采用恒溫恒壓、脈沖加壓對表面自納米化0Cr18Ni9Ti不銹鋼與TA17近α鈦合金進(jìn)行擴(kuò)散連接；借助拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)、金相觀察、顯微硬度測試、掃描電鏡觀察、能譜分析、X-射線衍射等分析手段研究了表面自納米化鈦合金與不銹鋼擴(kuò)散連接接頭的組織結(jié)構(gòu)和性能。
　　 研究表明，采用高能噴丸對0Cr18Ni9Ti不銹鋼與TA17鈦合金進(jìn)行表

4、面自納米化處理后，分別在端面以下70μm和50μm左右深度內(nèi)形成了等軸納米晶。晶粒細(xì)化機(jī)理與晶格結(jié)構(gòu)和層錯能密切相關(guān)，不銹鋼的晶粒細(xì)化機(jī)理為位錯+孿生變形+應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變機(jī)制；鈦合金的粒細(xì)化機(jī)理為孿生+位錯滑移機(jī)制。在高能噴丸過程中，應(yīng)力和應(yīng)變速率隨著深度的增加逐漸減小，從而使變形層內(nèi)的晶粒尺寸隨深度增加逐漸增大并過渡到基體晶粒尺寸。
　　 采用退火處理對鈦合金與不銹鋼的高能噴丸納米組織進(jìn)行了熱穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明不銹鋼

5、與鈦合金的高能噴丸納米晶組織分別在不超過650℃和550℃退火時，有相對較好的熱穩(wěn)定性；不銹鋼與鈦合金納米組織在850℃退火30min后，晶粒尺寸分別不超過80nm和100nm。
　　 在800～900℃之間，采用8MPa恒定軸向壓力，對表面自納米化0Cr18Ni9Ti不銹鋼和TA17鈦合金進(jìn)行恒溫恒壓擴(kuò)散連接(Constant Temperature and PressureDiffusion Bonding，CTPDB)20

6、min后，在850℃連接時獲得了最高拉伸強(qiáng)度為327MPa接頭，比粗晶試樣采用相同擴(kuò)散連接工藝獲得的接頭拉伸強(qiáng)度高出60MPa以上。
　　 在650～750℃之間對表面自納米化0Cr18Ni9Ti不銹鋼和TA17鈦合金采用脈沖加壓擴(kuò)散連接(Pulse Pressure Diffusion Bonding，PPDB)后，獲得了具有一定拉伸強(qiáng)度的連接接頭。本文首次在低于800℃以下獲得了鈦合金與不銹鋼的擴(kuò)散連接接頭。經(jīng)對800℃以下

7、的脈沖加壓擴(kuò)散連接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在升溫和降溫速度一定，壓力脈沖頻率一定的條件下，得到優(yōu)化工藝參數(shù)為：連接溫度T=750℃，最大脈沖壓力Pmax=150MPa，最小脈沖壓力Pmin=80MPa，脈沖次數(shù)n=400次，在此工藝下得到的接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到262MPa。
　　 在850℃時，采用最小脈沖壓力Pmin=8MPa，最大脈沖壓力Pmax=50MPa，脈沖頻率f=0.5Hz的工藝參數(shù)，對表面自納米化TA17鈦合金和0Cr18N

8、i9Ti不銹鋼進(jìn)行脈沖加壓擴(kuò)散連接80s后，獲得了最大拉伸強(qiáng)度為384.0MPa的接頭，比粗晶試樣采用相同擴(kuò)散連接工藝獲得的接頭拉伸強(qiáng)度高出60MPa以上。
　　 對上述不同擴(kuò)散連接工藝下得到的接頭的物相和組織進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，從不銹鋼側(cè)到鈦合金側(cè)依次形成了不同的物相，分別為奧氏體(不銹鋼基體)、金屬間化合物、β-Ti固溶體和α-Ti固溶體(鈦合金基體)。金屬間化合物中主要有σ相、Fe2Ti、FeTi等，金屬間化合物層的厚

9、度隨連接溫度的降低而減少。與常規(guī)粗晶試樣相比，經(jīng)相同擴(kuò)散連接工藝連接后，表面自納米化試樣接頭中金屬間化合物的數(shù)量減少，分布得到了改善，從而提高了接頭的力學(xué)性能。對接頭拉伸斷口分析表明，斷裂發(fā)生在金屬間化合物與β-Ti固溶體交界區(qū)域，拉伸時β-Ti固溶體承受了主要拉伸載荷，金屬間化合物是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展和斷裂的主要原因。
　　 對表面自納米化試樣中原子擴(kuò)散動力學(xué)進(jìn)行了計算，計算結(jié)果與常規(guī)粗晶試樣中對應(yīng)的結(jié)果對比表明，F(xiàn)e、Ti原子的擴(kuò)