TiNi形状记忆合金与不锈钢激光焊接性及质量控制研究

系统研究TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料激光焊接头的微观组织和性能特点；接头裂纹的特征及形成机理；激光焊接参数对接头微观组织、力学性能、裂纹敏感性及TiNi合金热影响区（HAZ）相变点、形状记忆效应和超弹性的影响规律；焊后热处理对接头微观组织和性能的影响规律；建立TiNi合金与不锈钢激光焊接头性能与焊接参数间数学模型；从马氏体相变点（Ms、Mf、As、Af）和微观组织的变化揭示焊接参数和焊后热处理对TiNi合金HAZ形状记忆效应和超弹性的影响机理和TiNi合金与不锈钢激光焊接性特点；优化激光焊接技术，使之能应用于生产实际；实现激光焊接头性能（力学性能、形状记忆效应、超弹性）定量预测和接头质量控制。本项目研究不仅可丰富了材料焊接基本理论，而且有利于促进异种材料焊接技术的发展，具有重要的理论意义和实用价值，在航空航天、机械电子、医疗等高技术领域具有广阔的应用前景。

本项目系统地研究了TiNi合金/不锈钢异种材料激光焊接头的微观组织和性能特点；接头裂纹特征及形成机理；激光焊接工艺、焊后热处理及纯金属中间层的影响规律。建立了激光焊接头性能与激光焊参数间数学模型。.研究结果表明，TiNi合金/不锈钢激光焊接头的化学成分和微观组织分布是不均匀的。焊缝区由B2、B19’、γ-Fe、TiFe2、TiFe、TiCr2、TiNi3、Ti2Ni相构成，金属间化合物相主要分布于Ti原子偏聚区。不锈钢一侧的熔合区具有联生结晶特点，而TiNi合金一侧的熔合区存在脆性金属间化合物层。TiNi合金热影响区（HAZ）主要由B2相和B19’相构成，不锈钢HAZ主要为γ-Fe、α-Fe 相。激光焊接头的抗拉强度平均值为187MPa，接头弯曲角度几乎为零。接头断裂多发生在TiNi合金侧的熔合区，断口表面可看到微裂纹和气孔缺陷。接头力学性能恶化主要与存在大量脆硬的金属间化合物有关。激光焊接头具有高的产生裂纹的敏感性。接头微裂纹易在TiNi合金侧熔合区的脆性金属化合物层萌生及扩展，裂纹为穿晶和沿晶的混合断裂模式，具有脆性断裂特征。接头裂纹的产生主要归因于高的焊接拉应力和接头组织的脆化。激光焊脉冲能量较低时，易产生未焊透、未熔合缺陷；随着脉冲能量的增大，熔深和熔宽增加；过高的脉冲能量和过小的脉冲宽度易导致烧穿缺陷和HAZ晶粒粗化，明显影响接头的力学性能和裂纹敏感性。焊接热输入对TiNi合金HAZ的相变点（Ms、Mf、As、Af）无明显影响，HAZ的形状记忆效应和弹性降低主要归因于HAZ晶粒粗化。焊后热处理不能明显改善激光焊接头的组织及性能。改变激光光斑位置或施加顶锻力有利于减少脆性的金属间化合物，改善接头的性能。研究结果表明，加纯金属（Ti、Co、Cu）中间层是改善TiNi合金/不锈钢激光焊接头组织与性能的有效途径。纯Cu中间层的效果更为明显，由于减少脆性的金属间化合物和形成具有良好塑性的α-Cu固溶体。当Cu中间层厚度为80μm时，接头抗拉强度和延伸率分别为521MPa和5.1%；接头弯曲角可达180°而不发生断裂；接头TiNi合金HAZ的形状恢复率大于98%。根据接头性能与激光焊参数间数学模型，可优化激光焊参数，实现焊接质量控制。基于本项目研究结果，采用纯Cu中间层激光焊技术成功地研制出用于牙齿正畸治疗的TiNi合金与不锈钢复合矫治弓丝。.