[发明专利]韧化过渡的异种材料连接接头结构和制备方法

说明书

本发明用错位韧化过渡结构的钛及钛合金和铝及铝合金过渡接头的制备方法，具体为一种钛及钛合金与铝及铝合金过渡接头的制备方法。对接头结构进行设计，采用开槽添粉熔覆形式制备过渡接头。针对钛铝易形成脆性金属间化合物的问题，分布从接头结构与接头过渡材料两个方面来进行设计，制备出的韧化过渡的异种材料连接接头结构可以避免产生连续脆性相且可以通过控制裂纹扩展来提升接头力学性能的过渡接头，解决钛铝连接接头强度不高的问题。

技术领域

本发明涉及异种金属连接领域，具体涉及错位韧化过渡结构的钛及钛合金与铝及铝合金过渡接头的制备方法。

背景技术

异种金属的复合结构在航空航天、造船、电力工业等领域应用越来越广泛。钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。铝及铝合金由于具有低密度、高强度等优点成为工业中应用量最大的有色金属，在航空，汽车，机械等行业中得到了广泛应用。为了满足结构轻型化、结构功能一体化和低成本设计与制造的发展要求，综合利用不同材料的性能优势，将具有不同特性的材料组合在一起使用已经越来越受到重视。钛合金比强度高、耐高温，但价格相对较为昂贵。铝合金密度小，价格相对较为低廉，因此当需要实现特殊用途时，可以使用铝/钛的复合结构。

在异种金属材料的焊接中，由于两种材料的物理化学性质各不相同，有的组合甚至差异很大，这将对焊接过程产生很大的影响。与同种材料的焊接相比，异种材料的焊接机理和操作技术都比同种材料要复杂的多。

Majumdar等采用CO2激光对TC4和铝镁合金进行熔焊焊接，焊接接头处产生很多裂纹，这些裂纹主要由新生的金属间化合物Ti3Al相和TiAl相导致，接头强度只有33～57MPa，后面研究人员加了一层Nb板，改善了裂纹情况，但是接头强度任然较低，仅有127MPa.

日本学者T.Takemoto等人在真空条件600～620℃对纯钛和纯铝进行钎焊研究，钎料采用Al-30Ag-10Cu、Al-10Cu-8Sn和Al-10Si-Mg等，接头拉伸强度最高仅有70MPa。

我国的李亚江、徐国庆等人在钛板渗铝的方法上有一定的研究，这种扩散焊方法一定程度上抑制了金属间化合物的产生，但焊接接头拉伸强度最高仅为180MPa.

德国不莱梅应用射线研究所Wagner等人用Nd:YAG激光器对Al/Ti进行了熔钎焊搭接试验，通过热传导的方法激光直接作用到搭接在钛板的铝合金母材上，熔化铝合金母材钎焊到钛合金板上，用参数控制金属间化合物的产生数量，拉伸强度达到220MPa。

国内哈尔滨工业大学陈彦斌教授等人采用AlSi12作为填充材料，激光直接作用到填充材料，从而得到熔焊和钎焊双重特性的复合型接头，双面成型的焊缝接头平均抗拉强度最好可以达到278MPa。

北京工业大学肖荣诗教授等人针对激光熔钎焊利用率低、焊接效率低而且只能焊接薄板等缺点，采用激光深熔钎焊焊接方法得到较好的焊接接头，得到的焊接接头最好的抗拉强度最高也仅为217MPa。

专利一种钛-钢异种金属烧结/焊接的连接方法中，采用的是将钛或其合金、V-Cu基梯度合金粉末C1、C2、C3、不锈钢逐一置于模具中并预加压,然后将模具置于烧结设备中进行放电等离子烧结成型，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，钛-钢异种金属烧结/焊接接头具有较高的力学性能。此发明同样是在异种金属连接中采用了过渡接头的方法，本专利与其对比，在结构上有较大差异，采用了仿生理念，通过仿生的设计来达到控制裂纹的扩展。

目前已有的钛铝连接手段中依然存在的问题可以归纳为：

1，钛及钛合金和铝及铝合金接头产生脆性金属间化合物层，钛及钛合金和铝及铝合金接头的拉伸强度较低；

2，钛及钛合金和铝及铝合金接头产生脆性金属间化合物层，接头处韧性与母材的韧性有较大差距。