异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法技术

本发明专利技术提供一种异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，主要针对异种金属焊接接头强韧性差的共性关键问题。采用在两侧母材异质金属之间加入双相高熵合金中间层的方式进行焊接，双相高熵合金中间层是至少由五种百分比在5

【技术实现步骤摘要】
异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法


[0001]本专利技术涉及异质金属扩散焊
，具体而言，尤其涉及一种异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，通过添加双相高熵合金中间层提升异质金属接头强韧性。

技术介绍

[0002]真空扩散焊技术是一种精密的固相连接方法，它是指在一定的温度、压力、保压时间等条件下，使工件连接表面只产生微观塑性变形，界面处的原子相互扩散而形成接头。扩散焊制造的零件具有成形性好、成形精确、强度高等特点，在减轻航空器结构重量、减少能耗，降低成本等方面优势极大，被誉为现代航空航天工业生产的开创性技术，广泛应用于航空产品的壁板、舱门、叶片、舵和翼等重要结构件，其独特的工艺技术特点和优势，推动了现代航空航天结构设计发展的进步，该技术的发展应用水平是衡量一个国家航空生产能力的标志。扩散焊技术特别适合于性能差别大、互不溶解、相互间易产生脆性相的异质材料连接。然而，对于异质金属组配，由于不同金属间热物理性能差异大且化学相容性差，接头普遍存在焊接应力大、组织不稳定和界面新生相硬脆导致强韧性差的关键难题，成为制约异质金属构件在高可靠性服役要求领域实际应用的瓶颈。
[0003]文献“Effect of welding time on the joining phenomena of diffusion welded joint between aluminum alloy and stainless steel,H.Shi,S.Qiao,R.Qiu,X.Zhang,H.Yu.Materials and Manufacturing Processes,2012,27:1366
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1369”报道了一种5A02铝合金和304不锈钢直接扩散焊的方法，该方法所焊接头界面出现铝
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铁金属间化合物且最大拉伸剪切强度仅为101MPa。
[0004]文献“Interlayer engineering for dissimilar bonding of titanium to stainless steel,M.K.Lee,J.G.Lee,Y.H.Choi,D.W.Kim,C.K.Rhee,Y.B.Lee,S.J.Hong.Materials Letters,2010,64(9):1105
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1108”报道了一种添加钒、铬、镍复合中间层的钛/钢扩散焊方法，所得接头界面以稳定固溶体结构为主，无金属间化合物生成。可见，添加复合梯度中间层有望消除异质金属接头中的金属间化合物，但接头强度极限往往受限于软质纯金属材料，且复合中间层实际装配较为困难。
[0005]申请号为02133239.8的中国专利“钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法”公开了一种钛铝基合金和钢的活性复合梯度阻隔扩散焊方法，该方法通过将一系列微米级钛、镍、铜、铌金属箔加入二者之间，实现了二者的有效连接，但同样存在所用中间层装配复杂、成本高和降低接头耐蚀性及性能过渡连续性的缺点。
[0006]基于上述列举的在异质合金组配过程中存在的技术问题，有文献提出通过在异种合金搅拌摩擦焊接时，将搅拌针插入到一侧金属表面形成锯齿状互锁结构的方法来提升异种金属焊接接头强韧性。虽然这种由机械力作用引起的机械互锁结构提升了接头拉剪强度和塑性变形能力，但是界面变形较大且难以精细控制。
[0007]因此，有必要提供一种针对异质金属合金组配的扩散焊方法，用以解决不同金属
间热物理性能差异大而导致的焊接应力大、组织不稳定等难题。

技术实现思路

[0008]根据上述提出的针对异种金属焊接接头强韧性差的共性关键问题，而提供一种异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法。本专利技术主要以钛合金/不锈钢、铝合金/不锈钢等典型异质金属材料作为焊接研究对象，通过添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法来实现“固溶冶金+互锁结构”的效果。
[0009]本专利技术采用的技术手段如下：
[0010]一种异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，其特征在于，在两侧母材金属之间采用加入双相高熵合金中间层的方式进行焊接，其中，两侧的所述母材金属为异质金属，所述双相高熵合金中间层是至少由五种百分比在5
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35at.％之间的主要元素组成的；
[0011]在焊接时，多种所述元素互溶且倾向于形成简单结构的固溶体，所述元素应选取在焊接时避免与母材金属反应生成脆性金属间化合物的合金元素。
[0012]进一步地，所述母材金属选用钛合金/不锈钢、铝合金/不锈钢。
[0013]进一步地，所述双相高熵合金中间层的元素根据高熵合金设计准则及高熵合金多相固溶体预测模型选取，选取原子半径差δ、混合焓ΔHmix和混合熵ΔSmix作为形成固溶体结构的判断依据；选取参数Ω、电负性差异Δχ和d轨道能级Md作为合金处于稳定固溶体状态的判断依据；选取电子浓度VEC作为合金具体晶体结构的判断依据。
[0014]具体地，当满足δ<6.5％、
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15kJ/mol<ΔHmix<5kJ/mol、
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12J/(K
·
mol)<ΔSmix<17.5J/(K
·
mol)时，高熵合金形成固溶体结构；
[0015]利用参数Ω、电负性差异Δχ和d轨道能级Md来预测高熵合金的稳定性，当Ω≥1.1，δ<6.5％，电负性差异Δχ<0.117，d轨道能级M d<0.95时合金处于稳定固溶体状态；
[0016]合金具体晶体结构则由电子浓度参数VEC进行预测，当6.87≤VEC＜8.0时，合金倾向形成BCC+FCC两相固溶体。
[0017]通过计算并验证筛选的高熵合金元素满足上述BCC+FCC双相高熵合金中间层成分设计准则。以钛合金和不锈钢组配为例，通过计算初步筛选出与母材主要合金元素固溶性均良好的V、Co、Cr等元素。
[0018]其中，V与Ti、Fe元素均能形成固溶体，同时V的加入有利于促进BCC相形成；Co、Cr元素与Fe可完全互溶形成FCC相，同时合金中添加Co元素可提高合金的耐高温性能和塑性，Cr元素可平衡不锈钢中Cr元素对界面反应的影响。利用鸡尾酒效应，按照元素性能叠加增强或互补组合的思路，同时加入高熵合金塑性增强元素Cu、Ni等以及相变元素Al。Cu为FCC相稳定元素，Ti
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Cu系金属间化合物脆性低于Ti
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Fe系，且Cu与Fe固溶后具有良好的塑性，Cu在合金冷却时偏析于枝晶间，可对晶粒起到粘合的作用；Ni是非碳化物形成元素，既能与Fe无限固溶，又可以与Cu完全互溶，Ni在高温下良好的塑性可以缓减应力；Al元素可增加高熵合金的晶格畸变程度，促使体系从亚稳态FCC结构向稳态BCC结构转变，有利于高熵合金形成双相结构。通过这些元素可改变合金的相组成及微结构，从而获得综合力学性能优异的BC本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，其特征在于，在两侧母材金属之间采用加入双相高熵合金中间层的方式进行焊接，其中，两侧的所述母材金属为异质金属，所述双相高熵合金中间层是至少由五种百分比在5
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35at.％之间的主要元素组成的；在焊接时，多种所述元素互溶且倾向于形成简单结构的固溶体，所述元素应选取在焊接时避免与母材金属反应生成脆性金属间化合物的合金元素。2.根据权利要求1所述的异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，其特征在于，所述母材金属选用钛合金/不锈钢、铝合金/不锈钢。3.根据权利要求1所述的异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，其特征在于，所述双相高熵合金中间层的元素根据高熵合金设计准则及高熵合金多相固溶体预测模型选取，选取原子半径差δ、混合焓ΔHmix和混合熵ΔSmix作为形成固溶体结构的判断依据；选取参数Ω、电负性差异Δχ和d轨道能级Md作为合金处于稳定固溶体状态的判断依据；选取电子浓度VEC作为合金具体晶体结构的判断依据。4.根据权利要求3所述的异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，其特征在于，根据高熵合金设计准则选取Al、Co、Cr、Cu、Ni、V作为设计双相高熵合金中间层的合金元素；通过改变相变元素Al的含量，获得同体系不同组分的AlxCoCrCuNi2.4
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xV共晶双相高熵合金中间层，其中，x＝0.6，0.8，1.0，1.2，1.4。5.根据权利要求1所述的异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，其特征在于，所述双相高熵合金中间层是采用纯度为99.99％的块状金属按照预设的原子比混合熔炼而成。6.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，董红刚，孙浩田，李超，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：