У чому причина того, що титановий сплав і алюміній важко зварювати?

Титановий сплав - легкий, високоміцний, стійкий до корозії матеріал. Завдяки чудовим властивостям він широко використовується в аерокосмічній галузі, медичному обладнанні, хімічній промисловості та інших галузях. Проте зварювальні характеристики титанових сплавів відносно низькі, в основному з таких причин:
Утворення оксидного шару:На поверхні титанового сплаву легко утворюється твердий оксидний шар. Цей оксидний шар не тільки ускладнює процес зварювання, але й знижує міцність зварювання. Перед зварюванням зазвичай потрібні деякі спеціальні методи попередньої обробки, такі як травлення або механічне полірування, щоб видалити оксидний шар і таким чином покращити ефективність зварювання.
Низька теплопровідність:Теплопровідність титанового сплаву відносно низька, що призводить до великого градієнта температури поблизу зварного шва, що може легко спричинити зварювальну деформацію та тріщини. Щоб зменшити температурний градієнт, часто необхідно вживати таких заходів, як попередній нагрів і контроль швидкості зварювання, що збільшує складність процесу зварювання.
Чутливість до водню:Титановий сплав чутливий до водню і легко поглинає водень під час процесу зварювання, що призводить до водневої крихкості. Водневе окрихчення може спричинити крихке руйнування зварних з’єднань, тому необхідно вжити певних заходів, наприклад контролювати вміст водню в середовищі зварювання, щоб зменшити ризик водневого окрихчення.

Селективне розчинення:Титановий сплав схильний до селективного розчинення з деякими металевими елементами при високих температурах, утворюючи крихку фазу, що впливає на характеристики зварних з'єднань. Тому при виборі зварювальних матеріалів і процесів зварювання необхідно приділяти особливу увагу уникненню цього вибіркового розчинення.
Висока температура плавлення:Відносно висока температура плавлення титанових сплавів вимагає високих температур для процесу зварювання, що збільшує споживання енергії та вимоги до зварювального обладнання.
Щоб вирішити ці проблеми, зварювання титанових сплавів зазвичай вимагає використання спеціальних зварювальних процесів, включаючи зварювання в інертному газі, зварювання електронним променем, лазерне зварювання та інші передові технології зварювання. Крім того, вибір відповідних зварювальних матеріалів, контроль параметрів зварювання та застосування методів попередньої обробки також є важливими засобами для покращення якості зварювання титанових сплавів.

Підсумовуючи, причини, чому титановий сплав і алюміній важко зварювати, такі:
1. Алюміній і титан легко реагують з киснем
⑴ Алюміній реагує з киснем, утворюючи щільну та тугоплавку Al2O3 (оксидну плівку) з температурою плавлення до 2050 градусів, що перешкоджає поєднанню двох основних матеріалів і робить зварний шов схильним до включень.
⑵Титан починає окислюватися при 600 градусах. Чим вища температура, тим серйознішим буде окислення, утворюючи TiO2 (діоксид титану), утворюючи проміжний крихкий шар у зварному шві, знижуючи пластичність і міцність.
2. Алюміній і титан по-різному реагують за різних температур
⑴. При 1460 градусах алюміній і титан утворюють сполуку TiAl (алюмінід титану), що містить 36,03% масової частки алюмінію, що підвищує крихкість металу.
⑵ Алюміній і титан утворюють сполуку TiAl3 (триалюмінід титану), що містить від 60% до 64% ​​масової частки алюмінію при 1340 градусах.
⑶ Після плавлення алюмінію та титану, коли масова частка титану становить 0,15%, в алюмінії утворюється твердий розчин титану.
3. Взаємна розчинність алюмінію і титану дуже мала
⑴При 665 градусах розчинність титану в алюмінії становить 0.26%~0.28%. Зі зниженням температури розчинність зменшується.
⑵Коли температура падає до 20 градусів, розчинність титану в алюмінії падає до 0,07%, що ускладнює поєднання двох основних матеріалів.
Розчинність алюмінію в титані більш обмежена, що дуже ускладнює утворення зварних швів між двома основними матеріалами.
4. Алюміній і титан мають сильне водопоглинання при високих температурах.
⑴Рідкий алюміній може розчинити велику кількість водню, але він майже нерозчинний у твердому стані. У міру застигання зварного шва водень не встигає вийти й утворити пори.
⑵Гідроген має високу розчинність у титані. При низьких температурах водень накопичується в порах, знижуючи пластичність і міцність зварного шва і легко викликаючи крихкі тріщини.
5. Алюміній утворює з титаном та іншими домішками крихкі сполуки
⑴. Оксид, утворений алюмінієм і киснем, підвищує крихкість металу і ускладнює зварювання.
⑵Титан і азот утворюють нітрид титану, який знижує пластичність металу.
⑶Титан і вуглець утворюють карбіди. Якщо масова частка вуглецю перевищує 0,28%, зварюваність обох основних металів значно погіршиться.
6. Алюміній і титан по-різному реагують при різних температурах
⑴Теплопровідність алюмінію та титану дуже різна. Алюміній (206,9 Вт·м-2·K-1) приблизно в 16 разів більший за титан (13,8 Вт·м-2·K-1).
⑵Коефіцієнти лінійного розширення алюмінію та титану дуже відрізняються, і алюміній приблизно в 3 рази більший за титан. Схильний до розтріскування під тиском.
7. Елементи сплаву алюмінію та титану горять і випаровуються
⑴Коли алюміній або алюмінієвий сплав плавиться, елементи з нижчою температурою плавлення, такі як магній, цинк тощо, починають горіти або випаровуватися.
⑵ Коли досягається температура плавлення титану або титанового сплаву (1677 градусів), такі елементи сплаву, як алюміній, горять і випаровуються більше, що призводить до нерівномірного хімічного складу зварного шва та зниження міцності.