[发明专利]钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料焊(连)接领域，特别涉及一种钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法。

背景技术

微型金属杜瓦装置为红外焦平面探测器的低温工作环境提供良好的电、机、热、光传输通道，是红外焦平面探测器封装和保护的关键装置。钛合金与不锈钢是杜瓦装置主要使用的材料。但是，针对杜瓦材料所使用的钛合金与不锈钢异种金属之间的焊接却存在较多的问题，不同金属材料在物理与化学性能上的差异(如膨胀系数、比热容、热导率、熔点、化学成分等的差异)会导致焊接接头形成较大的残余应力。Ti元素与不锈钢中的Fe、Cr、C元素极易形成大量TiFe、TiFe₂、σ及TiC等脆性相，导致焊件在焊接应力作用下断裂。

钛和钛合金由于其高强韧性、高的熔点，极好的腐蚀性能和低的密度被广泛应用于石油化工、低温和航空工业；不锈钢因具有塑性韧性好、焊接性能良好、突出的机械性能和耐腐蚀性等优点，常被应用于工业制造。将钛合金与不锈钢连接形成复合构件，在航空航天、石油化工、机械电子、交通运输等领域的机械设备和机件中有广泛的应用。扩散焊是指在焊件熔点以下温度，两表面通过外加压力相互接触，发生蠕变和原子扩散作用，从而使结合面孔隙闭合，实现冶金连接的一种焊接方式。其具有近净成形的特点，适合于异种金属间的焊接。

中国发明专利申请CN102728937A公开了一种钛合金与奥氏体不锈钢异种金属的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：经打磨和装配后的钛合金与奥氏体不锈钢工件在施焊之前预热至350℃以上；在氩气保护下进行钛合金与不锈钢脉冲钨极氩弧焊的焊接。该方法所得焊缝残余应力较高，脆性金属化合物大量存在，不利于获得性能稳定的焊接接头。

中国发明专利申请CN103192195A公开了一种钛合金与不锈钢电子束焊接方法，该方法采用钒层和铜铬合金层作为电子束焊接填充材料，铜铬合金包含未氧化的铜粉、铬粉、镍粉和钛粉，将这些粉末在氩气保护下进行球磨混料，然后在真空热压烧结炉内热压烧结成形，制备成铜铬合金板。从铜铬合金板及钒铸锭上切取合适厚度作为填充层，采用双道焊接工艺进行电子束焊接。该焊接方法实现了钛合金与不锈钢的有效连接，但存在工件尺寸限制，步骤繁琐，需多次焊接，容易形成较大的焊接残余应力等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的钛合金与不锈钢焊接性能不佳的不足，提供一种钛合金与不锈钢异种金属扩散焊方法。针对常用的氩弧焊、电子束焊工艺的局限性，提供异种金属扩散焊接方法，利用双过渡金属层扩散连接，优化钛合金与不锈钢之间的焊接质量。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种钛合金与不锈钢异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：

一种钛合金与不锈钢的异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：

试样表面清理步骤：对钛合金与不锈钢待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm,从而促进待焊表面的良好接触；由于钛合金与铜箔表面容易形成氧化膜,不利于扩散过程中原子的扩散,同时,氧原子的引入会弱化焊接质量,因此,需采用氢氟酸及硝酸的混合溶液，去除钛合金表面氧化膜；采用H₂SO₄溶液，去除铜箔表面氧化膜；将打磨后的试样、铜箔及铌箔放入丙酮中超声清洗10～15min，用酒精擦拭待焊表面，去除表面油污等残留,冷风吹干，得到清理后的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔；

试样叠放步骤：将试样表面清理步骤的钛合金、不锈钢、铜箔和铌箔交替叠放；放置时，顺序为钛合金-铌箔-铜箔-不锈钢或不锈钢-铜箔-铌箔-钛合金,即钛合金需与铌箔相接触,不锈钢需与铜箔相接触,钛合金与不锈钢位于箔片两侧；

焊接步骤：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15～30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至5×10^-1Pa以下；以5-20℃/min的速率升温，将炉温升至一定温度后，进行初次保温保压，促进钛合金-铌箔-铜箔-不锈钢之间界面接触；然后降低压力，升温至扩散焊接温度，进行二次保温保压；保温保压结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却。