钛-钢异种材料摩擦堆焊技术研究(2)
钛的比强度很高，具有非常好的延展性（尤其在无氧环境下）[1-2]。钛外表具有银白色的金属光泽[3]。它熔点相当高（超过1600摄氏度），是良好的耐火金属材料。钛的抗腐蚀能力非常优良——几乎与铂的抗蚀性一样好，钛不会被稀硫酸、稀盐酸及大部份有机酸腐蚀[4]，但是仍会被浓酸溶解[5]。研究表明，钛与水、空气的反应十分迟缓。当钛暴露在高温的空气中,会生成氧化物保护膜,避免氧化继续[6]。最初形成时，保护层只有一到二纳米厚，但是会缓慢持续增厚；四年可达二十五纳米厚[7]。钢是铁与其他元素一起形成的合金，其中碳经常被使用在当中。其他有时也会用到锰、铬、钒和钨[8]。碳等这些元素具备硬化剂的功能,可以有效防止铁原子晶格因为滑移等原因出现位错。通过调整合金元素量与存在于钢中的形式，就可以决定钢的性质,比如抗压性、延伸性与强度。添加碳的钢要比纯铁的硬度和强度都好,不过这种钢延伸性不如纯铁好。钢广泛地用于交通、工业与建筑。大部份现代架构，比如写字楼、铁路、桥梁与机场，都是用钢制支架支撑的。即使是用混凝土结构，也会用钢筋加固。另外，钢在家用电器和汽车制造中都有广泛应用。虽然用铝的汽车正在增加，但它们主要材料依旧是钢。钢被用于各种建筑用的材料，比如螺栓、螺钉和螺丝[9]。还有造船、管道、航天、工程车辆、办公家具、机床等等。可以说现代工业离不开钢铁。
1.2 钛钢焊接性研究
1.2.1钛钢焊接难点
钛钢焊接难点是异种金属的焊接。钛与钢焊接时，接触面会产生钛钢金属间化合物，这种化合物有很高的脆硬性。从钛层逐渐过渡到钢层Fe元素含量逐渐增大，而Ti元素含量逐渐减少。如何正确选择复合界面处的焊接方法和工艺，成为钛钢复合板焊接的难点[10-11]。
异种金属间焊接性能的优劣主要取决于它们的物理性能、化学结晶性能和焊接性能的区别。钛和钢的物理性能如表1.1。由表可知，钛和钢相比，它的密度、线膨胀系数和热导率有一定差别，容易引起热应力，产生很大的焊接变形[12-13]。从图1.1钛钢二元相图可以知道，铁元素在α-Ti中溶解度极低，常温下只有0.05%~0.1%。当铁元素含量超过0.1%时，则会产生钛钢金属间化合物TiFe和TiFe2。金属间化合物是脆性相，在焊缝中易形成裂纹，使得接头强度和塑形急剧下降，对焊缝的力学性能产生负面影响。
表1.1 TA1/A3钢的物理性能
材料 密度（g/cm3） 熔点(℃) 线膨胀系数(K-1) 热导率(W/m•k)
TA1 4.51 1667 8.2×10-6 13.8
A3 7.86 1537 11.76×10-6 66.7
图1.1 Fe-Ti二元相图
1.2.2 钛钢焊接方法
结合中外文献，对钛钢异种金属间的焊接进行了总结。钛钢复合板的焊接主要有熔化焊、钎焊、扩散焊。
钛钢异种金属焊接的熔化焊方法有钨极气体保护焊，熔化极气体保护焊，埋弧焊，还有一些高能束焊接方法，如电子束、等离子等等。李标峰[14]等人对钛与钢的焊接性能进行了初步研究。采用纯Ti与纯Fe，不添加焊丝，采用钨极氩弧焊直接对接的试验。结果表明大量硬脆性的金属间化合物TiFe、TiFe2相及低熔点共晶组织在Ti-Fe熔焊焊缝中产生，焊缝脆化严重，焊缝区域的硬度值基本分布在HV740~HV1324范围内。除此以外，李标峰还选用了Nb-Cu和V两组金属作为中间层对钛钢进行了试验，Nb-Cu作为中间层焊接钛和钢，试验可以获得Ti-Nb-Cu-Fe焊接接头，接头强度在250MPa左右，断口位置在Ti-Nb交界近Nb处。而Ti-V-Fe焊接接头的断口位置在Fe-V交界处。由此可见，常规的熔焊的方法，必须在添加中间层的基础上，才能对焊接接头的性能有所改善，但是效果也不是很明显。