[发明专利]一种适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头

说明书

技术领域

本发明属于金属加工领域，具体涉及一种适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头。

背景技术

钛合金与不锈钢之间的物理化学性能差异特别大，获得良好的连接接头有很大的难度。钛合金与不锈钢很难实现直接焊接连接。目前，国内外熔焊和固相焊连接钛-钢异种金属所采用的中间过渡层多为单一或者复合的纯金属箔片。其中钎焊连接钛-钢异种金属多采用银基钎料。单一或者复合的纯金属箔片过渡层尽管能实现钛-钢异种金属的连接，但是接头的过渡纯金属区域强度不高，当金属箔片过薄时，过渡金属易不能很好地隔绝钛元素与铁元素的结合。此外，复合的纯金属箔片过渡层的添加，相当于接头增加了一个或多个成分不连续分布的界面层，对接头强度及疲劳性能等带来不利影响。

尽管国内外已经出现很多采用过渡层的办法连接钛-钢异种金属的事例，但未曾有人明确提出钛-钢异种金属连接中间过渡层的设计原理和方法。

放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering或SPS)也称等离子活化烧结(Plasma Activ ated Sintering或PAS),是近年来发展的新技术，可以在较低温度下实现快速烧结致密材料,可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、复合材料、梯度材料等。由于梯度材料的组份是梯度变化的,各层的烧结温度不同,利用传统烧结方法难以一次烧成。具有不同成份配比的梯度坯料可在温度梯度场中一次烧结成梯度材料。烧结时间一般仅几分钟。目前已取得良好烧结效果的梯度材料有:不锈钢/ZrO2系梯度材料;PSZ/Ti系梯度材料等。目前，放电等离子烧结（SPS）技术在异种材料连接领域，多采用加梯度过渡中间层实现异种材料的成型与连接。

黄彦吴伟朱祥华袁琪琛、俞健等人在专利201110286030.X“一种适用于异种金属材料焊接的焊接结及其制备方法”中公开了一种适用于异种金属材料焊接的焊接结及其制备方法。该焊接结的制备方法为粉末冶金法，根据异种金属母材的材质选择金属粉末，配制出异种金属母材中主要元素含量呈梯度变化的两种以上混合粉料，经成型、热处理和机械加工制得梯度结构焊接结。该专利中所述接头的设计未涉接头设计原则，只考虑了成分的梯度变化，未考虑膨胀系数的梯度匹配。该专利限定了梯度材料中主要成分元素必须与母材中主要元素相同，这对于连接钛-钢异种金属来说难以实现阻隔铁、钛形成Fe-Ti脆性金属间化合物。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题提供一种钛-钢异种金属烧结/焊接的连接方法和适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种适用于钛-钢异种金属连接的梯度接头，采用V-Cu基梯度合金作为钛-钢异种金属连接的梯度接头，其中V-Cu基梯度合金C1、C2、C3由多种金属粉末按照不同比例混合而成的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成，C1、C2、C3中钒粉的含量分别是50%～60%、25%～30%、10%～20%；C1、C2、C3中铜粉的含量分别为25%～35%、50%～60%、65%～75%；C1、C2、C3中镍、铝、铬金属粉末的含量均为3%～10%，C1、C2、C3膨胀系数分别为：9.5～10.5X10^-6.K^-1、11.5～12.5X10^-6.K^-1、13.5～14.3X10^-6.K^-1。

本发明所述的与V-Cu基梯度合金粉末连接的钛为钛或其合金；与V-Cu基梯度合金粉末连接的钢为不锈钢。

一种钛-钢异种金属连接烧结/焊接方法，首先将钛或其合金置于模具中并预加压、其次依次将V-Cu基梯度合金粉末C1、C2、C3逐一置于模具中并预加压，再将不锈钢置于模具中并预加压，最后将模具置于烧结设备中进行放电等离子烧结成型。

本发明所述的放电等离子烧结工艺中烧结温度为825℃—950℃，烧结压力为40-50MPa，保温时间为10-15min。

本发明所述的钛或其合金、不锈钢为块体或粉末。

本发明所述的钛或其合金粉末、V-Cu基梯度合金粉末和不锈钢粉末粒度在300目到500目之间。

本发明所述的钛或其合金粉末和不锈钢粉末均经过球磨处理，球料质量比为10:1，转速为200r/min，球磨时间为6h。

本发明所述的V-Cu基梯度合金粉末中除低熔点金属粉末外其它各金属粉末均经过球磨处理，球料质量比为10:1，转速为200r/min，球磨时间为6h。