CN108097957B - 一种软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛及钛合金与不锈钢的过渡接头的制备方法，具体为软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法。根据软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头的结构进行了铺粉和送丝的增材制造，其中接头所采用的过渡材料为钛及钛合金以及与钛和铁能够无限互溶的金属钒，因此可以保证软区钢与钛之间的良好过渡。由于采用软网络分割的结构，因此可以在接头处产生软硬结构，其中软质区结构为圆台形，圆形具有分散应力和裂纹的扩展，而软质区域能够抑制硬质结构的裂纹的扩展，因而该过渡接头能实现钛及钛合金与不锈钢良好的过渡连接。

Description

一种软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法

技术领域

本发明属于异种金属连接领域，具体涉及一种基于增材制造的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法。

背景技术

钛和钛系合金具有特殊的机械和冶金性能，如重量轻，高强质比，优良的耐热性，因此在航空航天，核能和化学工业等收到了越来越多的关注同时也解决了诸多的难题。例如，飞机，导弹和火箭以超高速飞行时，他们的发动机和表面温度相当高。在这种工作情况下钛合金相对于其他金属合金更适合用来制作热电阻。虽然钛合金具有优越的机械性能和冶金性能，但是其价格较昂贵，而结构钢和不锈钢具有良好的成形性和经济性，因而钛和钢的连接成为了研究的热点。但是，钛和钢之间的物理性质差异较大，例如，钛合金与钢的热导率相差较大，焊接时热量的传导速度相差较大，熔池尺寸有很大差别，增加了焊接缺陷产生的倾向；钢与钛的线膨胀系数相差较大，焊接过程中接头附近会产生较大的热应力，增加了裂纹倾向。此外，Ti与Fe既可以形成固溶体和金属间化合物，又可以形成共晶体。在室温环境下，Ti与Fe互溶度极小，Fe在α-Ti中的溶解度只有0.04％，焊接时接头中几乎全部由TiFe、TiFe₂等脆性金属间化合物组成，进行钛/钢焊接时，很难控制焊缝中Fe含量在Ti的溶解度范围内，极易形成金属间化合物，使接头呈现很大的脆性，在焊接热应力作用下发生开裂，无法实现连接。

目前，解决以上问题的钛钢直接连接方法对的研究情况如下：

1、中国专利，申请号201310027100.9，名称为“表面处理钢与钛或钛合金的焊接方法”的发明公开了采用等离子注入的方法在钢的表面形成一层钛的注入层和沉积层并将此沉积层与钛或钛合金进行扩散连接而使得钛钢连接的一种工艺方法。

2、中国专利，申请号201110123247.9，名称为“一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法”的发明公开了一种将与焊接工件相同材质的板材切成薄片并组成中间层，然后在进行扩散连接钛和钢的工艺方法。

间接连接钛和钢方法为添加中间过渡材料以减少或避免钛与Fe的接触进而产生脆性金属间化合物。例如：

1、期刊论文，A hybrid joint based on two kinds of bonding mechanismsfor Titanium alloy and stainless steel by pulsed laser welding，孙大谦等人采用1mm厚度的纯Nb (99.99at％)作为过渡层，用脉冲激光在距离TC4和Nb的对接处0.2mm的TC4侧进行单道焊接。该试样的拉伸强度可达到370MPa且断裂处位于反应层区。

2、期刊论文，Lap welding of titanium sheet and mild steel sheet by seamwelding，采用Ti-Ta-Cu-钢的过渡方式实现了钛合金与耐蚀钢的连接。

以上研究方法的缺点在于工艺路线复杂，实施困难不容易控制且生成的接头强度不高或难以用于生产实践。

发明内容

本发明的目的克服了现有技术的不足，实现用于钛钢连接的过渡接头的增材制造方法。具体为软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，这种方法能在接头内形成成分梯度并在接头处形成软网络分割结构，能够有效控制裂纹的扩展使得接头的强度提高。

根据图4，当钛与钢相接触的地方产生裂纹时，裂纹可能会沿着X-Y平面或者Z的正反方向进行扩展。当裂纹沿着X-Y平面扩展时，会受到圆形软质区域的制约进而裂纹扩展终止；当裂纹沿Z方向扩展时，Z方向上的两侧结构为纯钒层或者钢层，因而裂纹也会被制约，从而接头处的裂纹不会在应力的作用下发生无限扩展而发生断裂。

为此，给出的技术方案为：

一种软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，具体工艺流程包括以下步骤：

(1)确定钛/钢过渡接头中基板为钛及钛合金或钢、网络分割结构部分中基体采用钛及钛合金或钢，垂直嵌入基体中阵列式的具有锥度形状的软质体及其增材过渡层采用纯V；

(2)进行增材前的准备，将实验所用的钛合金板材进行打磨并使其表面粗糙度 Ra≤1.6μm，其中钛合金基板的厚度为10mm，然后将其固定于增材处；此外还应准备增材的材料，具体为纯V粉末或者纯V丝材；

(3)根据软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头的软分割区域的尺寸结构进行切片处理并规划扫描或者增材路径，该结构分割的每一层的厚度为0.1-1mm且每一层内的软质区域的直径或者边长为5-30mm，同时随着增材层数的增加直径和边长的数值也会相应的增加；

(4)根据步骤(3)中的切片的尺寸结构进行分区域的增材，具体为：(1)若采用粉末增材方式，则需要先增材软质区或者钛合金区域，然后再进行另一区域的增材，直至本层增材完成；(2)若采用送丝增材，则需要采用双送丝机构，对于每一条增材路径需要对不同的段采用不同的材料进行送丝，直至本层增材结束；

(5)重复步骤(4)直至整个软网络分割部分增材完成；

(6)进行最后一层的纯V的增材，增材厚度为0.5mm-2mm。

进一步的，步骤(3)中，粉末的颗粒尺寸为45-150μm纯V粉末以及丝材为0.8-2.0mm直径的纯V丝材。

进一步的，步骤(4)中，接头中网络分割部分的厚度在1mm-5mm范围内。

进一步的，步骤(4)中，软网络分割结构包括圆台形状以及其他棱台形状等，且该圆台或棱台内的材料为纯钒块体而其余部分的材料为钛及钛合金块体。

进一步的，步骤(4)中，网络分割结构的具体形状可以为圆台形状或者近圆台形状、圆柱以及棱台或者近棱台形状、棱柱等。

进一步的，步骤(4)中，软网络分割结构中的圆台以及其他棱台等的截面圆的直径或者几何中心到顶点的距离的范围为5mm-30mm，且圆心之间的距离为直径 110％-130％，而正多边形的几何中心之间的距离为几何中心到边线距离的2倍的 110％-130％。

进一步的，步骤(4)中，软网络分割结构中的圆台以及其他棱台等的分布为以任意一个圆台或者棱台为中心，离其最近的4个圆台或棱台相邻夹角为90°。

进一步的，整个过渡接头的增材实验完成后接头的长度范围为2mm-10mm。

本发明相对于其它发明具有以下优点：

1、本发明采用仿生结构，能改变接头处的裂纹扩展模式，能防止脆性相应力集中处裂纹的直接直线扩展和断裂，提高接头处的抗拉强度。

2、本发明采用了截面为圆形的结构，圆形结构能够分散应力和裂纹的扩展，有利于接头性能的提升。

3、本发明采用圆台结构可以使得与钢侧连接的接头处的软质区域大于硬质区域，使得裂纹足够被终止；而钛侧则减少金属V的量使得尽头处的强度提高，过量的V会使得接头强度的降低。

4、本发明采用增材的方式进行，更易于实施，使得操作简便化。

5、本发明的适用性强，任何增材方式都可以得到所需的过渡接头。

6、本发明还可以发挥增材的优势，制成各种所需形状的过渡接头。

附图说明

图1为本发明软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头结构示意图；

图2为实例1中钛/钢过渡接头的网络分割结构部分的整体示意图；

图3为实例1中钛/钢过渡接头的网络分割结构部分的截面示意图；

图4为本发明软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头裂纹扩展示意图；

图5为实例2中钛/钢过渡接头的网络分割结构部分的整体示意图；

图6为实例2中钛/钢过渡接头的网络分割结构部分的截面示意图；

图7为实例2中钛/钢过渡接头的网络分割结构部分的增材示意图；

图8为本发明的工艺流程图。

附图标记说明：1TC4基板；2纯钒层；3网络分割结构层；4钛及钛合金增材块体 5纯钒增材块体。

具体实施方式

以下实施例仅作为本发明的具体化，本发明不局限于以下范围。

实施例1

本实例是一种以电子束粉末增材的工艺获得TC4和316L不锈钢的过渡接头的方法，其具体过程包括以下步骤：

(1)首先，需要对接头进行网络分割结构设计及接头的成分梯度设计；

(2)根据(1)中的设计进行工艺方案的制备；

(3)进行增材前的准备，将实验所用的钛合金板材进行打磨并使其表面粗糙度 Ra≤1.6μm，其中钛合金基板的厚度为10mm，然后将其固定于增材处；此外还应准备增材的材料，具体为颗粒尺寸为45-150μm纯V粉末；

(4)根据软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头的软分割区域的尺寸结构进行切片处理并规划扫描或者增材路径，具体为每一层的厚度为0.5mm，每一层内的软质区域的直径分别为5mm、7mm以及9mm且圆心与圆心之间的间距为11mm，同时随着增材层数的增加直径和边长的数值也会相应的增加；

(5)根据(4)中的切片的尺寸结构进行分区域的增材，具体为：先对钛合金基板或前一层进行电子束扫描预热，然后对软质区进行纯V粉末的铺设并利用电子束对该粉末进行熔化增材，再对本层其余地区进行钛合金粉末的铺设与增材，直至本层增材完成，其中由于粉末材料的变化，电子束的功率也要发生相应的改变；

(6)重复步骤(5)的过程，完成第三层的增材即整个软网络分割部分增材的完成；

(7)进行最后一层的纯V粉末的增材，增材厚度为0.5mm-2mm，即完成整个接头的增材。

实施例2

本实例是一种以电子束熔丝增材的工艺获得TC4和316L不锈钢的过渡接头的方法，其具体过程包括以下步骤：

(1)首先，需要对接头进行网络分割结构设计及接头的成分梯度设计；

(2)根据(1)中的设计进行工艺方案的制备；

(3)进行增材前的准备，将实验所用的钛合金板材进行打磨并使其表面粗糙度 Ra≤1.6μm，其中钛合金基板的厚度为10mm，然后将其固定于增材处；此外还应准备增材的材料，具体为1.2mm直径的纯V丝材；

(4)根据软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头的软分割区域的尺寸结构进行切片处理并规划扫描或者增材路径，该结构分割为三层且每一层的厚度为0.8mm，而软质区域的正六边形的初始边长为5mm，第二和第三层的边长为7mm和9mm，同时正六边形的几何中心之间的距离为18mm；

(5)根据(4)中的切片的尺寸结构进行分区域的增材，具体为：采用双送丝机构来进行两种材料的交替增材，在图7中箭头表示了增材的方向，实线为钛合金丝材的增材而虚线则表示V丝的增材，同时将正六边形分成多成不同长度的段来进行增材，根据图示，从正六边形的边上到其中心共需增材6段，以第三层为例则从左到右的长度为 9mm、10.5mm、12mm、13.5mm、15mm、16.5mm以及18mm，重复以上交替增材直至完成本层所有结构的增材；

(6)重复步骤(5)直至整个软网络分割部分增材完成；

(7)进行最后一层的纯V的增材，增材厚度为1mm。

Claims (8)

1.一种软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：具体工艺流程包括以下步骤：

(1)确定钛/钢过渡接头中基板为钛合金，软网络分割结构中基体采用钢，垂直嵌入基体中阵列式的具有锥度形状的软质体及其增材过渡层采用纯V；

(2)进行增材前的准备，将实验所用的钛合金基板进行打磨并使其表面粗糙度Ra≤1.6μm，其中钛合金基板的厚度为10mm，然后将其固定于增材处；此外还应准备增材的材料，具体为纯V粉末或者纯V丝材；

(3)根据软网络分割结构和梯度成分的钛/钢过渡接头的软网络分割结构的尺寸结构进行切片处理并规划扫描或者增材路径，该结构分割的每一层的厚度为0.1-1mm且每一层内的软质区域的直径或者边长为5-30mm，同时随着增材层数的增加直径和边长的数值也会相应的增加；

(4)根据步骤(3)中的切片的尺寸结构进行分区域的增材，具体为：(1)若采用粉末增材方式，则需要先增材软质区或者钛合金区域，然后再进行另一区域的增材，直至本层增材完成；(2)若采用送丝增材，则需要采用双送丝机构，对于每一条增材路径需要对不同的段采用不同的材料进行送丝，直至本层增材结束；

(5)重复步骤(4)直至整个软网络分割结构增材完成；

(6)进行最后一层的纯V的增材，增材厚度为0.5mm-2mm。

2.根据权利要求1中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：步骤(2)中，纯V粉末的颗粒尺寸为45-150μm，纯V丝材直径为0.8-2.0mm。

3.根据权利要求2中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：步骤(3)中，接头中软网络分割结构的厚度在1mm-5mm范围内。

4.根据权利要求2中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：步骤(3)中，软网络分割结构包括圆台形状或者棱台形状，且该圆台或棱台内的材料为纯钒块体而其余部分的材料为钛或钛合金块体。

5.根据权利要求2中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：步骤(3)中，软网络分割结构的具体为圆台形状或者近圆台形状、圆柱或棱台或者近棱台形状、棱柱。

6.根据权利要求2中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：步骤(3)中，软网络分割结构中的圆台的截面圆的直径或者几何中心到顶点的距离的范围为5mm-30mm，且圆心之间的距离为直径110％-130％；或者棱台的正多边形截面的几何中心之间的距离为几何中心到边线距离的2倍的110％-130％。

7.根据权利要求2中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：步骤(3)中，软网络分割结构中的圆台或者棱台的分布为以任意一个圆台或者棱台为中心，离其最近的4个圆台或棱台相邻夹角为90°。

8.根据权利要求2中所述的软网络分割和梯度成分的钛/钢过渡接头制备方法，其特征在于：整个过渡接头的增材实验完成后接头的长度范围为2mm-10mm。

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