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TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢超塑性扩散连接工艺研究
新材料及异种材料的连接，是当前材料连接领域的前沿和热点之一。随着现代科学技术的发展，单一的金属或合金已很难完全满足现代高科技生产对材料综合性能的需要，因而有必要发展异种材料连接技术，综合不同材料各自的优异性能以满足工业生产对材料的各种新要求。例如，航空航天部门使用的材料不但要求在低温和高温下具有很高的比强度，而且要求在振动和高速运行时具有足够的强度和寿命，以保证长期工作的可靠性，为此常常需要使用多种具有不同性能的材料。现代连接技术的发展，可以将不同性能的金属连接成复合零部件，既能满足各种性能要求，又可以节约各种贵重材料、降低成本。
扩散连接的过程可以大致分为三阶段:
第一阶段为物理接触阶段，高温下微观不平的表面在外加压力的作用下，通过屈服和蠕变机理使一些点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐增大，最终达到整个面的可靠接触。在这一阶段之末，界面之间还有间隙，但其接触部分则基本上已是晶粒间的连接。
第二阶段是接触面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层。这一阶段，由于晶界处原子持续扩散而使许多空隙消失。同时，界面处的晶界迁移离开了接头的原始界面，达到了平衡状态，但仍有许多小空隙遗留在晶粒内。
第三阶段是在接触部分形成的结合层逐渐向体积方向扩散发展，使缺陷（空洞、氧化物夹杂等）消失，在接触面形成共同的晶粒，并导致内应力松弛，形成可靠的连接接头。在此阶段，遗留下的空隙完全消失了。
这三个过程不是截然分开的，而是相互交叉进行，最终在接头连接区域由于扩散、再结晶等过程形成固态冶金结合，它可能生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠连接。第三阶段通常会会使强度趋于稳定，并提高接头的塑性。但是，对于某些材料（例如能够形成脆性金属间化合物的异种金属)，这一阶段会起极其有害的作用。因此，如遇到这种情况，就必须对这一阶段加以严格控制。
钛合金与钢的焊接性分析
物理性能差异的影响
由于钛及其合金与钢在密度、比热、线膨胀系数、导热系数等物理性能均存在较大差异，如表1-2所示。这些差异会在焊接接头中引起较大焊接残余应力，降低接头性能，从而影响钛及其合金与钢连接的牢固性。
化学性能差异的影响
常温下，钛及其合金能与氧发生致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。但在高温下，钛及其合金吸收氧、氮及氢的能力很强，焊接时必须对焊接材料进行严格的保护，否则将引起焊接接头塑性下降，接头脆化。钛与铁易生成金属间化合物TiFe、TiFe,-27]。钛/钢焊接时，由于钢中存在的Ni、Cr、C等元素与Ti形成TiNi;、TiNi2、TiNi、TiCr2、TiC等多种金属间化合物脆性相，使焊缝更脆，性能进一步下降。
用扩散连接方法对钛合金/不锈钢进行扩散连接是国内外学者近年来一直深入研究的课题[36.37]。特别是对性能差别较大、相互间产生金属间化合物的异种材料，扩散连接具有更突出的优点[38.39]。他们通过低温短时扩散连接、超塑性扩散连接、热等静压扩散连接、不等温扩散连接及中间过渡层扩散连接等不同扩散连接方法，从不同的应用角度考虑，取得了一定的效果[40-44]。由于钛与铁、碳易生成金属间化合物，故钛合金和钢直接连接接头的韧性一般较差，如表1-3所示，为了提高接头的强韧性，就必须抑制界面金属间化合物的生成与长大。
纯铜箔加纯镍箔作为TC4/1Cr18Ni9Ti的中间过渡层金属，研究结果如表1-4所示。由于扩散连接时铜与钛产生强烈的共晶反应，并未阻止钛向不锈钢的扩散，结果在接头中形成多层金属间化合物，导致接头拉伸强度低，韧性很差[45]。
钒与钛、铁都能形成固溶体，而且不形成金属间化合物脆性相，故用钒作为钛合金/钢连接的过渡金属是比较理想的，但钢中的镍易与钒形成VNi;、VNiz金属间化合物46.47]，此外，钒是强碳化物形成元素，因而钒与碳会形成VC、VC等碳化物，从而进一步削弱接头性能，所以用钒作中间层连接钛合金/钢时，接头性能较低，如表1-5所示。为了克服钒与碳、镍、以及镍与钛相相互形成脆性相，可选用钒一铜双层过渡金属，因为铜是非碳化物形成元素，而且铜与钒及铁、铬、镍之间均不形成金属间化合物，在T=℃，连接压力P=10MPa，焊接时间
综上所述，钛与钢焊接的主要问题是:在接头界面处易生成金属间化合物，焊后接头内应力大，从而使接头性能下降。要获得性能理想的接头，就必须从焊接方法、焊接工艺方面着手解决好上述两个主要焊接问题。用钎焊、熔焊及摩擦焊等方法焊接钛合金/钢时，由于各自焊接方法固有的特点，难以满足结构特殊以及尺寸精度高的工程实际要求，而扩散连接从目前国内外发展现状看，用来连接钛合金/钢比较理想，通过合适的扩散连接技术和工艺参数的选择，可以有效控制界面金属间化合物的生成，实现特殊构件及高精度、高可靠性的连接。
