2.2?钛钢接头
钛-不锈钢(Ti-SS)焊接接头特别适用于石化和核工业,其中工艺容器由承载钢底座制成,可防止环境退化和Ti合金的腐蚀性水侵蚀。同样,Ti-SS片材在有缝管材、管道和容器组件中也有着显著的应用前景。相比之下,钛焊接结构在减轻航空航天行业中使用的机身和部件的重量方面尤为突出。Ti与钢的结合受到它们在环境条件下非常有限的固溶度(0.1at.%)和在液体条件下的相互固溶度的限制。图9显示了不同Ti-SS接头焊池的硬度变化。激光焊接的Ti-SS接头在机械载荷下发生自发开裂,并以脆性方式失效,因为FZ由FeTi(600Hv)和Fe2Ti(1000Hv)以及其他IMC层组成,具体取决于合金成分。▲图9?不同类型钛钢异种接头不同区域的硬度
由于自熔焊接不能产生具有所需强度的接头,因此在过去十年中开发了各种技术来提高可达到强度的上限。例如,Mg、Cu、Nb和Ta等相容材料的嵌件和夹层已显示出足够的焊接强度增强。然而,由于任一BM与嵌件的不兼容,焊接在IMC界面处以脆性方式失效。为了进一步提高强度并防止Ti-Fe混合,已证明多层Ta/V/Fe可提供与退火V夹层相当的最高可获得强度,如图10所示。
类似地,采用焊接多个中间间嵌件的混合焊接技术,显示出第二高的强度。如图11(a)所示,形成了几个相,包括α-Ti、β-Ti、FeTi(BCC)、Fe2Ti(λ-BCC)和α-Fe按Fe成分增加的顺序。此外,在富钛侧附近会形成各种成分的共晶,这会严重影响接头的塑性性能。如果钢由Ni和Cr组成,则很可能形成TiCr2、NiTi2和Ti5Fe17Cr5。然而,接头强度低也归因于由于存在的相和热膨胀系数的变化而产生的应力集中而产生的热诱导应力。平衡时的共晶反应由层状结构中的β-Ti和TiFe交替板组成。TiFe枝晶在过饱和的β-Ti(Fe)基体中形成并沿热流方向凝固。对于Fe-Ti对的少量混合,当%Mo含量超过10%等效阈值时会形成β-Ti。
▲图10?由于钛钢不同接头激光焊接技术的变化而提高拉伸性能
▲图11?(a)二元(Fe-Ti)相图显示了两种IMC的存在,(b)Ti和Fe与二元合金周期系统中其他元素的溶解度特性(研究温度高达1200℃)
2.2.1?钛-不锈钢自熔焊接
Ti-SS对的自熔焊接没有产生足够的机械强度(Ti的35% UTS),而在FZ或Ti-SS焊接界面处出现无颈缩的脆性破坏。与焊缝方向垂直的枝晶间裂纹的产生是由于不锈钢侧承受较高的收缩和拉伸应力,而不锈钢焊缝界面中出现的一些裂纹包含λ-Laves相。上部焊接区(WZ)主要由β-Ti和TiFe IMC的枝晶组成,而下部包含抗断裂单相β-Ti(Fe)。
Shanmugarajan和Padmanabham说,无论采用何种冷却速率,Ti-SS不同组合的自熔焊接都会导致开裂和脆化。由于其独特的晶格结构,Fe在α-Ti中的固溶度在室温下极低(0.05-0.1%)。因此,Ti/Fe IMC在Ti-6Al-4V和42CrMo钢之间的搭接接头界面处形成,而IMC厚度随着热输入的增加而增加,证明对接头强度不利。除Zr、V、Nb、Ta、Mo和W等元素外,Ti很容易与其他元素反应形成脆性基IMCs(图11(b))。
Casavola等人数值证明钛对焊接接头中的应力集中对缺陷和焊缝几何形状敏感。为了提高接头强度,Chen等人向钢侧偏移0.6毫米以获得UTS为150 MPa的接头。对于用SS201钢焊接的Ti-6Al-4V,自发失效发生时没有任何偏移,但形成了两个厚度均匀的IMC层。随着脉冲能量通过改变脉冲斜坡下降而降低,抗拉强度降低。
2.2.2?单个夹层
为了防止钢和钛的混合,许多作者建议插入可以防止IMC形成并且化学相容的夹层。铜嵌件可以防止Ti-Fe IMC的形成,但同时也会产生脆性相对较小的Cu-Ti IMC,这可能会降低接头的延展性。
Cherepanov等人证实激光在VT1-0Ti和12Kh18N10T钢之间的铜嵌件上的负散焦产生了以孔隙为特征的不均匀熔池,而当焦点直接定位在铜嵌件上时,观察到裂纹和接头失效。WZ由Fe、Cr、Ni和Ti在Cu晶格中的过饱和固溶体组成。尺寸范围为5-200μm的Ti(Fe,Cr)2和TiCu3(1-10μm)的IMC均匀分布,而在SS和Ti侧形成了的扩散边界。Zhang等人在TC4和SS301L之间使用Cu夹层以产生350MPa的接头强度。WZ由Cu固溶体、Cu2Ti(针状和粒状)、Cu-Ti和Cu-Ti2组成。Cu2Ti是由于残留的液态铜(L→Cu-Ti)的增多而形成的,这引起了包晶反应(L+Cu-Ti→CuTi4)。此后,包晶反应如下(L+Cu4Ti3→Cu2Ti),形成Cu2Ti相。Ti-Fe IMC的硬度低于Ti-Cu IMC,而Cu2Ti IMC比后者硬。
钛及其合金不同材料激光焊接的研究与发展现状(4)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】2.2? 钛钢接头 钛-不锈钢(Ti-SS)焊接接头特别适用于石化和核工业,其中工艺容器由承载钢底座制成,可防止环境退化和Ti合金的腐蚀性水侵蚀。同样,Ti-S
2.2?钛钢接头
钛-不锈钢(Ti-SS)焊接接头特别适用于石化和核工业,其中工艺容器由承载钢底座制成,可防止环境退化和Ti合金的腐蚀性水侵蚀。同样,Ti-SS片材在有缝管材、管道和容器组件中也有着显著的应用前景。相比之下,钛焊接结构在减轻航空航天行业中使用的机身和部件的重量方面尤为突出。Ti与钢的结合受到它们在环境条件下非常有限的固溶度(0.1at.%)和在液体条件下的相互固溶度的限制。图9显示了不同Ti-SS接头焊池的硬度变化。激光焊接的Ti-SS接头在机械载荷下发生自发开裂,并以脆性方式失效,因为FZ由FeTi(600Hv)和Fe2Ti(1000Hv)以及其他IMC层组成,具体取决于合金成分。▲图9?不同类型钛钢异种接头不同区域的硬度
由于自熔焊接不能产生具有所需强度的接头,因此在过去十年中开发了各种技术来提高可达到强度的上限。例如,Mg、Cu、Nb和Ta等相容材料的嵌件和夹层已显示出足够的焊接强度增强。然而,由于任一BM与嵌件的不兼容,焊接在IMC界面处以脆性方式失效。为了进一步提高强度并防止Ti-Fe混合,已证明多层Ta/V/Fe可提供与退火V夹层相当的最高可获得强度,如图10所示。
类似地,采用焊接多个中间间嵌件的混合焊接技术,显示出第二高的强度。如图11(a)所示,形成了几个相,包括α-Ti、β-Ti、FeTi(BCC)、Fe2Ti(λ-BCC)和α-Fe按Fe成分增加的顺序。此外,在富钛侧附近会形成各种成分的共晶,这会严重影响接头的塑性性能。如果钢由Ni和Cr组成,则很可能形成TiCr2、NiTi2和Ti5Fe17Cr5。然而,接头强度低也归因于由于存在的相和热膨胀系数的变化而产生的应力集中而产生的热诱导应力。平衡时的共晶反应由层状结构中的β-Ti和TiFe交替板组成。TiFe枝晶在过饱和的β-Ti(Fe)基体中形成并沿热流方向凝固。对于Fe-Ti对的少量混合,当%Mo含量超过10%等效阈值时会形成β-Ti。
▲图10?由于钛钢不同接头激光焊接技术的变化而提高拉伸性能
▲图11?(a)二元(Fe-Ti)相图显示了两种IMC的存在,(b)Ti和Fe与二元合金周期系统中其他元素的溶解度特性(研究温度高达1200℃)
2.2.1?钛-不锈钢自熔焊接
Ti-SS对的自熔焊接没有产生足够的机械强度(Ti的35% UTS),而在FZ或Ti-SS焊接界面处出现无颈缩的脆性破坏。与焊缝方向垂直的枝晶间裂纹的产生是由于不锈钢侧承受较高的收缩和拉伸应力,而不锈钢焊缝界面中出现的一些裂纹包含λ-Laves相。上部焊接区(WZ)主要由β-Ti和TiFe IMC的枝晶组成,而下部包含抗断裂单相β-Ti(Fe)。
Shanmugarajan和Padmanabham说,无论采用何种冷却速率,Ti-SS不同组合的自熔焊接都会导致开裂和脆化。由于其独特的晶格结构,Fe在α-Ti中的固溶度在室温下极低(0.05-0.1%)。因此,Ti/Fe IMC在Ti-6Al-4V和42CrMo钢之间的搭接接头界面处形成,而IMC厚度随着热输入的增加而增加,证明对接头强度不利。除Zr、V、Nb、Ta、Mo和W等元素外,Ti很容易与其他元素反应形成脆性基IMCs(图11(b))。
Casavola等人数值证明钛对焊接接头中的应力集中对缺陷和焊缝几何形状敏感。为了提高接头强度,Chen等人向钢侧偏移0.6毫米以获得UTS为150 MPa的接头。对于用SS201钢焊接的Ti-6Al-4V,自发失效发生时没有任何偏移,但形成了两个厚度均匀的IMC层。随着脉冲能量通过改变脉冲斜坡下降而降低,抗拉强度降低。
2.2.2?单个夹层
为了防止钢和钛的混合,许多作者建议插入可以防止IMC形成并且化学相容的夹层。铜嵌件可以防止Ti-Fe IMC的形成,但同时也会产生脆性相对较小的Cu-Ti IMC,这可能会降低接头的延展性。
Cherepanov等人证实激光在VT1-0Ti和12Kh18N10T钢之间的铜嵌件上的负散焦产生了以孔隙为特征的不均匀熔池,而当焦点直接定位在铜嵌件上时,观察到裂纹和接头失效。WZ由Fe、Cr、Ni和Ti在Cu晶格中的过饱和固溶体组成。尺寸范围为5-200μm的Ti(Fe,Cr)2和TiCu3(1-10μm)的IMC均匀分布,而在SS和Ti侧形成了的扩散边界。Zhang等人在TC4和SS301L之间使用Cu夹层以产生350MPa的接头强度。WZ由Cu固溶体、Cu2Ti(针状和粒状)、Cu-Ti和Cu-Ti2组成。Cu2Ti是由于残留的液态铜(L→Cu-Ti)的增多而形成的,这引起了包晶反应(L+Cu-Ti→CuTi4)。此后,包晶反应如下(L+Cu4Ti3→Cu2Ti),形成Cu2Ti相。Ti-Fe IMC的硬度低于Ti-Cu IMC,而Cu2Ti IMC比后者硬。
文章来源:《材料保护》 网址: http://www.clbhzzs.cn/zonghexinwen/2021/0917/975.html
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