[发明专利]一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料、机械、电气、医疗等技术领域的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，属于异种材料连接技术。

背景技术

形状记忆合金是一种新型的功能材料，它具有特殊的形状记忆效应(SEM)和超弹性(SE)。在已发现的具有形状记忆效应的合金中应用最广的是TiNi合金。它除了具有形状记忆恢复率高的优点外，还具有比强度高、抗疲劳、耐腐蚀和生物相容性好等特点，在航空航天、原子能、海洋开发、仪器仪表、家用电器以及医疗领域获得了广泛的应用。随着科学技术的进步和现代工业的发展，现代社会对产品性能提出了更高、更苛刻的要求。单一形状记忆合金很难同时满足产品不同部位对使用性能的不同要求。形状记忆合金与其它异种材料的连接是解决这一问题的主要选择对策。例如：通过TiNi合金丝与奥氏体不锈钢丝焊接(连接)制备牙科复合矫治弓丝，TiNi合金丝对错位牙施加合适的矫治力，而不锈钢丝为非错位牙提供充足的支抗，可明显提高牙齿正畸效率、减轻患者痛苦。但是，由于TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接性差，严重影响接头的使用性能。存在的主要问题是，熔化焊时焊缝区析出大量脆性含钛金属间化合物(Ni₃Ti、NiTi₂、Fe₂Ti、FeTi、Cr₂Ti等)，明显降低焊接接头的强度和韧性(激光焊接头抗拉强度150-190MPa，弯曲角2-5°；微束等离子弧焊接头：抗拉强度130-160MPa，弯曲角2-5°；储能焊接头：抗拉强度140-170MPa，弯曲角10-16°)。这已成为制约形状记忆合金产品使用性能提高和形状记忆效应潜能充分发挥的主要技术瓶颈。因此，研究开发TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接技术具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，该方法基于铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用纯铜填充材料和降低TiNi合金母材熔合比，使焊缝区析出铜固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接接头的强度和韧性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，按以下工艺步骤进行：

a)纯铜中间层：在TiNi形状记忆合金丝(板)与奥氏体不锈钢丝(板)界面加纯铜中间层(TiNi合金/铜中间层/不锈钢)。通过纯铜中间层填充材料，使焊缝区析出铜固溶体，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，提高焊接接头强度和韧性；

b)热源位置：调整焊接热源(激光束、微束等离子弧、TIG等)位置，使其加热斑点位于TiNi合金与不锈钢界面附近偏向不锈钢一侧，降低TiNi合金母材熔合比，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，提高焊接接头性能；

c)焊接保护：采用焊接热源加热熔化界面区，冷却凝固后形成TiNi合金-不锈钢异种材料焊接接头。焊接过程中，焊接区通入保护体，防止H、O、N等对焊接接头性能的有害影响。

d)纯铜焊丝：TiNi形状记忆合金丝(板)与奥氏体不锈钢丝(板)的焊接可采用纯铜焊丝代替铜中间层作为填充材料，提高焊接接头性能。

所述的纯铜填充材料形式为铜中间层和铜焊丝。降低TiNi合金母材熔合比，具体为：TiNi合金熔合比＜40％。

研究结果表明，采用纯铜填充材料进行TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接，可使焊缝区析出大量铜固溶体、减少脆性金属间化合物；焊接热源置于偏向不锈钢母材一侧有利于减少焊缝区脆性金属间化合物，可明显提高焊接接头的强度和韧性。

采用本发明的方法进行TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接，其焊接接头达到的性能指标为：(1)TiNi合金-不锈钢激光焊接头抗拉强度500-520MPa，与未加铜中间层的焊接接头相比，接头强度提高2倍以上；(2)TiNi合金-不锈钢激光焊接头弯曲角＞120°，与未加铜中间层的焊接接头相比，接头弯曲角提高30倍以上；(3)TiNi合金-不锈钢激光焊接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞90％。