[发明专利]利用钽将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法

说明书

描述了一种将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法，例如通过熔焊，以及通过该方法产生的金属间化合的熔池。基本上由于在熔池中钛铁金属间化合物的形成，钛和钛基合金的焊接造成低质量和高脆性焊缝的麻烦。本发明涉及在熔池中钽的使用或部署，以便生成惊人地牢固的金属间化合的键。

技术领域

本发明涉及材料结合的领域；具体地，涉及一种将钛和钛基合金工件结合到含铁金属工件的方法，例如通过焊接。

背景技术

由于独特的特性组合，钛和钛基合金已经成为重要的结构金属。这些合金以轻的多的重量具有与许多不锈钢相当的强度。此外，它们显示出比铝更优秀的抗腐蚀性，有时比不锈钢的抗腐蚀性更强。更进一步地，钛是在地壳中最丰富的金属之一，随着生产方法越来越经济，它将在日益增长的应用中被利用。

钛和镍的各种合金是称为形状记忆合金(SMA)的合金类别的一部分。这个术语应用到金属材料的那个种类(也称为镍钛合金)，其展示通过热处理恢复限定形状或大小的能力。按照最一般的意义，这些材料能够在某一相对低的温度塑性地变形并在暴露到较高温度下恢复它们的预变形形状。这种形状记忆效应(如有时所称的)，即展示依据温度的形状或构造的改变的能力，得到了大量的尤其是医疗的商业应用。

当通过从相对较强的高温或“奥氏体(或奥氏体的)”形式到相对弱的低温或“马氏体(或马氏体的)”形式的过渡温度冷却时，镍钛形状记忆合金经历了它们的晶体结构的相位变换。这种晶体变换是造成这些材料的标志特征、它们的热或形状记忆、和它们的机械记忆的原因。

钛和钛基合金(反之镍钛合金)的特征，尤其是它们的形状记忆，意味着它们已经广泛地用作诸如导管、支架、导丝、血液过滤器、探针和多种其它设备的医疗设备的部件。

在钛和镍钛合金使用中的主要限制是将这些材料结合到其它材料的困难。因为它的高成本，经常期望将镍钛合金的使用限制到设备的实际运动部分，而用诸如不锈钢或其它含铁金属的非昂贵材料制造支撑元件。但是，将镍钛合金焊接到不锈钢和含铁金属通常已被证明是尤其困难的，如Ge，Wang在评论“将镍钛诺焊接到不锈钢”中所公开的。

此外，钛的活性使得任何焊接在例如氩覆盖的纯惰性气体中或真空中进行很重要，以便减少形成损坏的氧化物或氮化物趋势。在利用较低重要性的惰性气体(或真空)处理为成品形式期间，镍钛合金材料自然地在空气中形成表面氧化物。形成的主要表面氧化物是TiO₂。

但是，将镍钛结合到诸如不锈钢的其它材料的困难仍然大大地限制了技术。许多技术已经取得有限的成功。非熔结合方法最普遍地用于结合镍钛；包括锡焊、环氧树脂和其它粘合剂；和诸如压接的各种类型的机械结合。这些技术不是没有它们的缺点。例如，锡焊必须经常利用特殊的助焊剂以移除并阻止在锡焊期间表面氧化物的形成。环氧树脂和粘合剂不适合这些镍钛产品期望的全部制造技术和使用的类型。机械紧固可能造成镍钛的过度变形和裂开。部件的过盈配合或互锁已经成功，但是要求制造达到紧密的尺寸公差。

已经使用各种方法试图改进将钛合金焊接到含铁金属的结果。那些方法在以下美国专利中多方面地描述了，这些美国专利在此通过参考整体并入：

4,674,675

3,038,988

4,708,282

6,410,165

在此也通过参考并入的Peter C.Hall的美国专利号6,875,949公开了一种利用添加到熔池的镍或铁焊接钛金属和含铁金属的方法。该‘949专利阻碍了铝、铬和钛的使用(第8栏第49行及以下)，表述他们没改进钛金属和含铁金属之间的焊缝品质。

因此，本技术领域需要一种用于改进将钛和钛基合金熔焊到含铁金属的技术的方法。按照它的最一般意义，本发明克服了在该技术领域中经历的问题并提供了将钛或钛基合金焊接到含铁金属的改进方法，含铁金属例如是金属、钢、其它合金、包含或包括任何可估计量的铁的共熔混合物。本发明的一个优选实施例是一种焊接例如称为镍钛诺的合金的镍钛合金和不锈钢的改进方法。本发明尤其应用到医疗设备领域，例如导丝。

发明内容

简要地，按照一方面，该发明是一种将钛或钛基合金焊接到含铁金属的方法，以便通过在焊缝中包括钽来产生牢固可延展的焊缝。

本方法总体包括放置至少一个钛或钛基合金工件紧靠含铁金属工件和合适成形的钽工件的步骤，从而形成或限定接缝前体或接缝。可以围绕接缝前体设置防护，诸如通过放置工件在真空中或者利用惰性气体淹没或覆盖接缝前体。