D0I:10.13374/i.issnl001t03.2007.04020 第29卷第4期 北京科技大学学报 Vol.29 No.4 2007年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2007 钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 韩庆礼)刘国权)王亮)王安东)向嵩) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)航天材料及工艺研究所，北京100076 摘要为了确定钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层的合适厚度，利用先进的纳米显微力学探针测量了材料的弹性模量·采 用ANSYS有限元软件，对钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布以及尺寸稳定性进行了分析，以此对 轴承钢硬化层的厚度进行了模拟.结果表明，当轴承钢硬化层厚度在0.10~0.50mm内时，最大等效应力发生在镍与铜之间， 容易引起界面处裂纹的产生；合适的轴承钢硬化层厚度范围应为1.00~2.00mm:最佳的厚度为1.50mm左右. 关键词轴承钢：钛合金；扩散焊接；硬化层：有限元分析 分类号TG404 Ti6Al4V合金比强度高，抗氧化，耐蚀性能好， 轴承钢硬化，在扩散焊接过程中为了防止生成金属 在航空、航天和兵工行业得到了广泛的应用山，然 间化合物加入了镍和铜两层中间层材料，其中镍层 而Ti6A4V合金的耐磨损性能差，因此在实际使用 靠近轴承钢一侧，铜层靠近钛合金，其金相照片见 过程中磨损严重，变形较大，严重时导致部件尺寸失 图1，图中右侧是钛合金，左侧是轴承钢，中间两层 配而无法正常发挥其功能.在Ti6A14V合金表面扩 是镍和铜 散焊接上适当厚度的硬质表面层GCr15轴承钢，是 提高其表面强度和耐摩擦性的一种行之有效的 方法， 扩散焊接硬化层的厚度对钛合金部件在实际应 用中有着重要的影响，不同的硬化层厚度对部件的 内应力分布以及尺寸稳定性起着很大的作用，国内 外学者对硬化层厚度的确定一直进行着研究2]， 50 um 但是以往学者研究的都是针对单层硬化层材料进行 考虑，而钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在实际 图1扩散焊接样品在光学显微镜下的形貌 工艺中添加了中间层材料镍和铜，这样钛合金基体、 Fig-I Optical microscopic image of a diffusion bonding sample 镍、铜中间层以及表面轴承钢硬化层相当于形成了 利用ANSYS有限元进行力学分析，材料的弹 四层涂层，这无形中加大了分析的难度，另外材料 性模量是最重要的物性参数，本文利用先进的 的物性参数确定一般都是从文献中查阅得出，这在 Nano Indenter II纳米显微力学探针测量材料的弹 很大程度上影响了分析的精度和准确度，本文从实 性模量，测量过程忽略材料的各向异性，分别测量样 际工况出发，先测量材料的物性参数，然后再利用 品横截面上各层材料，得到钛合金基底材料、过渡中 ANSYS有限元数值模拟的方法对钛合金表面焊接 间层镍、铜以及轴承钢硬化层的纳米尺度弹性模量， 轴承钢硬化层的不同厚度进行模拟，最终得到轴承 见表1.表中材料的密度和泊松比由文献[8]查得. 钢硬化层厚度的允许范围以及最佳值. 表1材料的物性参数 1材料的性能及接头形式 Table 1 Physical parameters of selected materials 本文选择Ti6A4V钛合金表面扩散焊接GCr15 材料 密度/(kgm一3)弹性模量/GPa 泊松比 钛合金 4430 148 0.33 收稿日期：2006-02-27修回日期：2006-07-07 铜 8940 156 0.34 基金项目：国防科工委基础研究资助项目(No,2005HP008) 镍 8890 243 0.31 作者简介：韩庆礼(1977-)，男，博士研究生：刘国权(1952-)，男， 轴承钢 7810 259 0.29 教授，博士生导师钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 韩庆礼1） 刘国权1） 王 亮2） 王安东1） 向 嵩1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 2） 航天材料及工艺研究所‚北京100076 摘 要 为了确定钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层的合适厚度‚利用先进的纳米显微力学探针测量了材料的弹性模量．采 用 ANSYS 有限元软件‚对钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布以及尺寸稳定性进行了分析‚以此对 轴承钢硬化层的厚度进行了模拟．结果表明‚当轴承钢硬化层厚度在0∙10～0∙50mm 内时‚最大等效应力发生在镍与铜之间‚ 容易引起界面处裂纹的产生；合适的轴承钢硬化层厚度范围应为1∙00～2∙00mm‚最佳的厚度为1∙50mm 左右． 关键词 轴承钢；钛合金；扩散焊接；硬化层；有限元分析 分类号 TG404 收稿日期：20060227 修回日期：20060707 基金项目：国防科工委基础研究资助项目（No．2005HP008） 作者简介：韩庆礼（1977—）‚男‚博士研究生；刘国权（1952—）‚男‚ 教授‚博士生导师 Ti6Al4V 合金比强度高‚抗氧化‚耐蚀性能好‚ 在航空、航天和兵工行业得到了广泛的应用［1］．然 而 Ti6Al4V 合金的耐磨损性能差‚因此在实际使用 过程中磨损严重‚变形较大‚严重时导致部件尺寸失 配而无法正常发挥其功能．在 Ti6Al4V 合金表面扩 散焊接上适当厚度的硬质表面层 GCr15轴承钢‚是 提高其表面强度和耐摩擦性的一种行之有效的 方法． 扩散焊接硬化层的厚度对钛合金部件在实际应 用中有着重要的影响．不同的硬化层厚度对部件的 内应力分布以及尺寸稳定性起着很大的作用．国内 外学者对硬化层厚度的确定一直进行着研究［2—7］‚ 但是以往学者研究的都是针对单层硬化层材料进行 考虑‚而钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在实际 工艺中添加了中间层材料镍和铜‚这样钛合金基体、 镍、铜中间层以及表面轴承钢硬化层相当于形成了 四层涂层‚这无形中加大了分析的难度．另外材料 的物性参数确定一般都是从文献中查阅得出‚这在 很大程度上影响了分析的精度和准确度．本文从实 际工况出发‚先测量材料的物性参数‚然后再利用 ANSYS 有限元数值模拟的方法对钛合金表面焊接 轴承钢硬化层的不同厚度进行模拟‚最终得到轴承 钢硬化层厚度的允许范围以及最佳值． 1 材料的性能及接头形式 本文选择 Ti6Al4V 钛合金表面扩散焊接 GCr15 轴承钢硬化‚在扩散焊接过程中为了防止生成金属 间化合物加入了镍和铜两层中间层材料‚其中镍层 靠近轴承钢一侧‚铜层靠近钛合金．其金相照片见 图1‚图中右侧是钛合金‚左侧是轴承钢‚中间两层 是镍和铜． 图1 扩散焊接样品在光学显微镜下的形貌 Fig．1 Optical microscopic image of a diffusion bonding sample 利用 ANSYS 有限元进行力学分析‚材料的弹 性模量是最重要的物性参数．本文利用先进的 Nano Indenter II 纳米显微力学探针测量材料的弹 性模量‚测量过程忽略材料的各向异性‚分别测量样 品横截面上各层材料‚得到钛合金基底材料、过渡中 间层镍、铜以及轴承钢硬化层的纳米尺度弹性模量‚ 见表1．表中材料的密度和泊松比由文献［8］查得． 表1 材料的物性参数 Table1 Physical parameters of selected materials 材料 密度／（kg·m —3） 弹性模量／GPa 泊松比 钛合金 4430 148 0∙33 铜 8940 156 0∙34 镍 8890 243 0∙31 轴承钢 7810 259 0∙29 第29卷 第4期 2007年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．4 Apr．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．04．020