摘 要

钛合金是一种新型金属结构材料，由于它具有优良的耐腐蚀性能，所以钛合金常常被用在钢铁结构的关键部位。在实用的工程结构中，钢和钛合金通常进行复合以实现耐腐蚀性和改进的性能要求。但是，这种复合技术面临着钛和钢之间连接困难，钢与钛的连接属于异种金属的连接，直接焊接可能会产生脆性相。因此通常添加中间层来防止或抑制碳元素扩散并采用瞬间液相复合的方法来进行钛合金和碳钢的异种金属复合。本文采用瞬间液相复合（TLP）技术并使用H62作为中间层将钛合金和奥氏体不锈钢进行复合。以870～990°C为温度范围，40°C为梯度研究了复合温度对瞬间液相复合后的钛/黄铜/碳钢的显微组织和力学性能的影响，并采用光学显微镜，SEM和XRD对复合接头部分进行微观结构表征。本篇论文通过实验证明了焊缝的硬度、焊缝区的厚度、晶粒度等性能随着温度的升高而产生的变化。

关键词：瞬间液相复合 钛合金 中间层 显微硬度

Effect of Heating Temperature on Interface Properties of Transient Liquid Phase Composite of Titanium Alloy/Carbon Steel

Abstract

Titanium alloy is a new type of metal structural material. Because of its excellent corrosion resistance, titanium alloys are often used in key parts of steel structures. In practical engineering structures, steel and titanium alloys are often compounded to achieve corrosion resistance and improved performance requirements. However, this composite technology faces difficulties in the connection between titanium and steel. The connection between steel and titanium is a dissimilar metal connection, and direct welding may result in a brittle phase. Therefore, an intermediate layer is generally added to prevent or suppress the diffusion of the carbon element and the dislocation metal composite of the titanium alloy and the carbon steel is performed by a transient liquid-phase recombination method. In this paper, Titanium and austenitic stainless steels are composited using transient liquid phase compounding (TLP) technology and using H62 as an intermediate layer. The effect of composite temperature on the microstructure and mechanical properties of titanium/brass/carbon steel after transient liquid phase compounding was studied using a temperature range of 870-990°C and a gradient of 40°C. Optical microscopy, SEM and The microstructure of the composite joint was characterized by XRD. In this paper, the hardness of the weld, the thickness of the weld zone, the grain size, and other properties have changed as the temperature has increased.

Key Words: TLP（Transient Liquid Phase）Titanium alloy intermediate layer Microhardness

目 录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 钛合金和不锈钢的连接技术的发展 1

1.1.1 钛合金 1

1.1.2 钛合金和不锈钢连接方法历史发展 1

1.2 瞬间液相扩散复合技术 3

1.2.1 瞬间液相扩散复合技术的发展 3

1.2.2 瞬间液相扩散复合技术的焊接过程 4

1.3本课题研究的内容及意义 5

第二章 实验目的、内容及方法 6

2.1 实验目的 6

2.2 实验内容 6

2.2.1 实验材料 6

2.2.2 实验设备 7

2.3 实验方法 7

2.3.1瞬间液相复合 7

2.3.2复合后的金相观察 7

2.4 材料测试方法 8

2.4.1 显微硬度测试 8

2.4.2 X射线衍射分析 8

第三章 实验结果与分析 10

3.1 X射线衍射结果 10

3.1.1 实验原料的X射线表征 10

3.1.2 复合后样品表面的X射线表征（图3-2） 10

3.2 SEM扫描结果 11

3.3 金相光学显微观察 13

3.3.1 不同温度下复合的样品接口处的金相组织观察 13

3.3.2 β-Ti的形成 16

3.3.3 各层厚度的变化 17

3.3.4 各部分的晶粒度变化 18

3.4 显微硬度测试结果 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 钛合金和不锈钢的连接技术的发展

1.1.1 钛合金

钛是上个世纪五十年代开始发展起来并迅速被运用于各个领域的一种重要的新型结构金属^[1,3]。钛与传统的黑色金属的很多性能不同，钛合金是一种低密度的金属合金，但是它同时又具有高强度的特性以及优异的耐腐蚀性能^[5,8]。这些优良的性能使得钛合金在生物医学、化学和航空航天领域都得到了广泛的运用。而纯的钛晶体存在两种形状不同的晶体结构：纯钛拥有两种同素异构体，纯钛的熔点为1668℃^[2,6]。根据钛的金属相图可以发现，在低于882℃时，纯钛的晶格排列呈密排六方晶格结构（hcp），具有这种晶体结构的纯钛称为α-Ti；而在882℃以上具有体心立方晶格（bcc）结构，具有这种晶体结构的纯钛称为β-Ti^[10]。

本实验中采用的钛合金牌号为是TA2，它是一种工业纯钛，并且只含有α-Ti相。工业纯钛分为TA1、TA2和TA3三个牌号，而这三种牌号是根据Ti中所含的间隙杂质元素的含量不同来进行区分的^[16]。根据对性能的综合考虑和实验，TA2经常被用在工业生产中，原因在于TA2不仅具有适中的耐蚀性能，而且它的综合力学性能较高，能够较好的适用于大多数的工业生产^[18]。而TA3常被用于对耐磨和强度要求较高的工业生产的情况^[17]，TA1常被用于要求较好的成型性能的工业生产中^[18]。

1.1.2 钛合金和不锈钢连接方法历史发展

钢目前仍在工程材料中占有很大的比重，被广泛的应用在各种不同的行业。而在以钢为主体的工程结构中，常在钢的部分关键部分让钢与钛合金相互复合利用钛合金高强度耐腐蚀性好的特点，从而在达到提高性能的要求的同时也降低了成本^[9]。使用传统螺栓连接, 费工费时并且密封困难,成本高而效果差。所以只有进行焊接才能获得致密度达到标准的接头^[4]。异种金属的焊接的历史经验告诉我们存在熔焊焊敏感性，传统的熔焊工艺技术并不适用于钛合金和碳钢的接头^[7]。异种金属间能否顺利熔合,除了温度、时间等客观因素，它在很大的情况下也取决于异种金属本身的性质，例如各个金属自身的结晶结构特点(晶格、点阵、原子半径及核外电子结构)等等^[12],这些方面造成了异种金属之间在进行高温融化复合后可能存在相互作用、互溶的情况，有时甚至会产生新的物质。从钛和钢的相图（图1-1）中可以观察到，钛和钢直接熔焊时，在600℃以上就能形成脆性的金属间化合物和低熔点的共晶体^[11]。

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