表面自纳米化在钛合金和不锈钢扩散焊接中的应用

采用表面自纳米化技术(surface self-nanocrystallization,SSNC),对钛合金和不锈钢进行固态扩散焊接,对解决钛钢焊接中出现的问题提供了可能。当被焊材料表面产生的塑性变形达到一定程度后,其晶粒尺寸将细化到纳米尺度,从而使金属内部的晶界、位错、空位等非平衡缺陷的数量急剧增加,从扩散动力学来说,这些缺陷为铁、钛、铬、镍等元素的互扩散提供了短程扩散的通道,降低了扩散激活能。另外,在焊接压力作用下,纳米晶粒的金属所具有的超速性效应将加速表面物理接触进程。因此,对被焊材料进行表面自纳米化处理后,将加快被焊偶件的接触进程,大幅度提高原子的扩散速率,可望在较低的温度下和较短的时间内对异种材料进行有效地焊接,在进一步提高焊接质量的前提下,大幅度提高焊接效率、节约能源。通过优化工艺,可望控制和消除金属间化合物所带来的不利影响,控制基体金属的晶粒长大和焊接接头的热应力和组织应力,解决传统扩散焊接工艺所不能解决的问题。

目前,还未发现有将表面自纳米化技术应用于异种材料扩散焊接的报道。CinaEldror等人采用纳米ZrO 2Y-TZP)粉体材料作为中间层,对块体的同成分陶瓷进行了焊接试验,试验结果说明,纳米尺寸的ZrO2-4.5wtY 2 O 3能够对相同化学成分的陶瓷材料进行焊接,焊接接头不存在超声波能够探测到的缺陷,且焊接温度比常规方法低得多。

采用SMAT技术对钛合金和不锈钢进行表面自纳米化处理,通过强烈的塑性变形将表面层的粗晶粒转化为纳米晶粒,可以有效地杜绝纳米晶粒的氧化和污染,同时也可以保持其高的致密性。表面自纳米化除了能大大地提高原子扩散速率外,在扩散焊接中应用时还有一个优势,就是可以利用表面纳米晶粒所产生的超速性变形,在扩散焊接的初始阶段,加快凹凸不平接合界面屋里接触进程,增大扩散区的面积。试验结果表明,具有细小晶粒的钛合金和不锈钢都具有超速性效应。

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