【摘 要】
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钛-钢复合板兼具钛的高耐蚀性和钢的优良力学性能,在海洋、化工和电力等行业的需求不断增长。由于钛和钢的物化性能存在较大差异,熔焊时易形成大量脆性金属间化合物,弱化接头性能以致开裂,钛-钢复合板直接熔焊难度较大。本文依据过渡区焊缝高熵合金化技术思路,应用热力学第一性原理设计、制备出Ti-Fe-Ni-Cu-V、Ti-Fe-Ni-Cu-Cr及Ti-Fe-Ni-Cu-Co三种合金系的高性能合金焊材,并用之对
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钛-钢复合板兼具钛的高耐蚀性和钢的优良力学性能,在海洋、化工和电力等行业的需求不断增长。由于钛和钢的物化性能存在较大差异,熔焊时易形成大量脆性金属间化合物,弱化接头性能以致开裂,钛-钢复合板直接熔焊难度较大。本文依据过渡区焊缝高熵合金化技术思路,应用热力学第一性原理设计、制备出Ti-Fe-Ni-Cu-V、Ti-Fe-Ni-Cu-Cr及Ti-Fe-Ni-Cu-Co三种合金系的高性能合金焊材,并用之对钛-钢复合板结合层进行TIG焊接,分析了熔焊对接接头组织,测试了接头硬度分布与覆层焊缝表面的电化学腐蚀性能。研究结果表明:依据热力学第一性原理对三种合金系过渡区焊缝的弹性系数计算数据可知,Ti18.18Fe18.18Ni18.18Cu18.18V27.27、Ti18.18Fe18.18Ni18.18Cu18.18Cr27.27 及 Ti20Fe20Ni20Cu20Co20三种成分的过渡区焊缝金属塑性较好。由此推算出适于直接TIG熔焊钛-钢复合板结合层的高性能焊材成分分别为 Ti12Fe15Ni23Cu25V25、Ti12Fe15Ni24Cu24Cr25 及Ti10Fe12Ni25Cu25Co28。在焊接电流I=127A,焊接速度V=90mm/min、氩气流量Q=17L/min的直接TIG熔焊条件下,使用三种过渡层合金焊材所得接头成形性好,焊缝饱满,连续均匀,无塌陷、气孔等焊接缺陷。用Ti12Fe15Ni23Cu25V25焊材所得接头过渡区焊缝组织由大量等轴晶和少量的柱状晶组成,是具有FCC+BCC固溶体结构的Ti-Fe-Ni-Cu-V高熵合金。Cu与其他元素的混合焓均为正值,富集于枝晶间隙,形成富Cu的FCC相,提高了过渡区焊缝的塑形。焊缝与母材结合良好,界面处无裂纹产生;各焊缝之间的熔合均较好。在覆层钛焊缝中由于Ti元素含量高,形成（Ti）固溶体和TiCu3、TiV等化合物,使焊缝硬度高至475～520HV。过渡区焊缝的硬度为270～320HV,介于基层焊缝和覆层焊缝之间。用Ti12Fe15Ni24Cu24Cr25焊材TIG焊钛-钢复合板结合层,所得接头过渡区焊缝由FCC+BCC结构的（Ti,Fe,Ni,Cu,Cr）固溶体组成。过渡区焊缝硬度为320～370HV,介于基层金属（180～200HV）和覆层焊缝（450～510HV）之间。此外,用Ti10Fe12Ni25Cu25Co28过渡层焊材所得接头过渡区焊缝由单一 FCC结构的固溶体组成。过渡区焊缝硬度（260～280HV）介于基层金属和覆层焊缝（400～460HV）之间。将过渡层合金焊材的主元V替换为Cr和Co,所得三组接头均无开裂现象,各界面结合良好。接头显微硬度变化趋势大致相当,都是从基层焊缝金属到过渡区焊缝逐渐增加,直到覆层焊缝部位达到最高。钛-钢复合板覆层焊缝电化学腐蚀试验结果表明,在3.5%NaCl溶液中,Ti10Fe12Ni25Cu25Co28焊材直接TIG熔焊复合板结合层所形成覆层焊缝的极化曲线与TA2复板极化曲线最为接近,其抗电化学腐蚀能力最佳,其次分别使用为Ti12Fe15Ni23Cu25V25、Ti12Fe15Ni24Cu24Cr25焊材所得到的接头覆层焊缝。
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