專利名稱：TiAl合金與TiB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的焊接方法，屬于金屬間化合物焊接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，特別是航天、航空、原子能等尖端科技的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出了越來越高的要求。目前，無論是從經(jīng)濟(jì)性還是從實(shí)用性的角度來說，單一材料已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)對(duì)材料綜合性能的需求，因此，國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)工作者正致力于研究和開發(fā)新材料及異種材料的連接技術(shù)。鈦鋁基合金具有密度小(約為3.8g/cm3)、比強(qiáng)度高、剛性好、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的、富有開發(fā)應(yīng)用前景的航空、航天、軍事及民用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。TiB2金屬陶瓷與TiAl合金的連接對(duì)于TiAl合金在高溫環(huán)境中應(yīng)用具有非常重要的意義。由于這兩種材料的物理、化學(xué)性能差異較大，而且熔點(diǎn)比較高，傳統(tǒng)的熔焊方法很難實(shí)現(xiàn)這兩種材料的連接，可能的連接方法主要涉及擴(kuò)散連接和釬焊。但是TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的擴(kuò)散連接接頭反應(yīng)產(chǎn)物中脆性相較多，連接效率很低，界面處殘余應(yīng)力很大，接頭質(zhì)量難以控制，因此很難得到應(yīng)用。盡管釬焊過程中釬料的熔化起到了緩解應(yīng)力的作用，但是釬焊接頭在高溫下的使用受到限制，而且擴(kuò)散連接和釬焊對(duì)設(shè)備的要求很高，一般要求比較大的加熱設(shè)備而且普遍需要真空或者保護(hù)氣氛。公開號(hào)為CN1475463A的專利提供了一種《陶瓷與金屬場(chǎng)致自蔓延燃燒連接法》，該方法存在的缺陷是連接需要用專門的引燃裝置，所需設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，而且要求陶瓷表面必須鍍鎳，工藝比較煩瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，該方法簡(jiǎn)便易行，克服了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備復(fù)雜、工藝煩瑣的缺陷。本方法包括如下步驟一、用高頻電磁場(chǎng)給TiAl合金和TiB2金屬陶瓷預(yù)熱；二、繼續(xù)施加高頻電磁場(chǎng)的同時(shí)給疊置的TiAl合金和TiB2金屬陶瓷施加30-60MPa的軸向壓力，夾在TiAl合金與TiB2金屬陶瓷之間的粉末壓坯被高頻電磁場(chǎng)引燃并發(fā)生自蔓延反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的連接，所述粉末壓坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均勻后壓制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均勻后壓制而成。
本發(fā)明中采用高頻感應(yīng)加熱將特殊成分Ti-Al-C-Ni-Mo或Ti-Al-B-Ni-Mo中間層粉末壓坯引燃后，利用自蔓延反應(yīng)放出的熱量作為連接熱源，同時(shí)在高頻電磁場(chǎng)輔助下實(shí)現(xiàn)TiAl合金與TiB2金屬陶瓷連接，本發(fā)明所采用的粉末壓坯作為中間層反應(yīng)體系其反應(yīng)放熱量很大，引燃的溫度很低而且引燃以后能夠?qū)崿F(xiàn)自蔓延反應(yīng)。中間層粉末壓坯中Al的加入主要為了降低體系的引燃溫度，Ti-C或者Ti-B為主要放熱體系，Mo的加入能夠改善Ni與TiC之間的潤(rùn)濕性。中間層粉末壓坯中的Ni主要作為整個(gè)反應(yīng)的稀釋劑，一方面能夠改善界面處的潤(rùn)濕情況和致密度，另一方面能夠提高接頭的高溫力學(xué)性能和使用溫度。產(chǎn)生電磁場(chǎng)的高頻感應(yīng)線圈既作為給TiAl合金和TiB2金屬陶瓷預(yù)熱的裝置又作為自蔓延反應(yīng)的引燃裝置，降低了設(shè)備的復(fù)雜程度；連接過程中不需要給任何位置進(jìn)行鍍鎳處理。本方法具有步驟簡(jiǎn)單、高效和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的推廣價(jià)值。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本方法包括如下步驟一、用高頻電磁場(chǎng)給TiAl合金和TiB2金屬陶瓷預(yù)熱。高頻電磁場(chǎng)的頻率為20～30赫茲。二、繼續(xù)施加高頻電磁場(chǎng)的同時(shí)給疊置的TiAl合金和TiB2金屬陶瓷施加30-60MPa的軸向壓力，夾在TiAl合金與TiB2金屬陶瓷之間的粉末壓坯被高頻電磁場(chǎng)引燃并發(fā)生自蔓延反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的連接，所述粉末壓坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均勻后壓制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均勻后壓制而成。采用的Ti-Al-C-Ni-Mo粉末壓坯，其各組分的重量百分比為Ti27.5～45％、Al15～25％、C8～10％、Mo3～5％、余量為Ni；采用的Ti-Al-B-Ni-Mo粉末壓坯，其各組分的重量百分比為Ti22.5～40％、Al15～20％、B10～15％、Mo4～8％、余量為Ni。壓制粉末壓坯的原始粉末中選用的金屬粉末均為納米粉末，原始粉末的粒度和純度分別為Ti(純度≥98.5％，粒度≤70nm)，Al(純度≥99.9％，粒度≤35nm)，C(純度≥99％，粒度≤1μm)，Ni(純度≥99.5％，粒度≤50nm)，Mo(純度≥99％，粒度≤90nm)和Ti(純度≥98.5％，粒度≤70nm)，Al(純度≥99.9％，粒度≤35nm)，B(純度≥99％，粒度≤2μm，無定形)，Ni(純度≥99.5％，粒度≤50nm)，Mo(純度≥99％，粒度≤90nm)，原始粉末采用球磨機(jī)在氬氣保護(hù)下干混24小時(shí)。粉末壓坯在300～500MPa的壓力下壓制成厚度為1mm左右。采用本發(fā)明方法連接的TiAl合金的成分范圍為Ti31～78(at％)、Al22～69(at％)、V1.0～3.0(at％)、Cr1.5～2.5(at％)、Nb1.5～2.5(at％)。TiB2金屬陶瓷成分范圍為TiB242～68(at％)、Cu32～58(at％)。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是它還包括如下步驟三、繼續(xù)施加高頻電磁場(chǎng)的同時(shí)給疊置的TiAl合金和TiB2金屬陶瓷施加10～40MPa的軸向壓力，使經(jīng)過初步連接的TiAl合金和TiB2金屬陶瓷在高頻感應(yīng)加熱的條件下，完成連接接頭處元素成分的擴(kuò)散和均勻化。本實(shí)施方式把自蔓延反應(yīng)完成后的初步連接接頭用高頻感應(yīng)加熱并加壓，進(jìn)行擴(kuò)散和均勻化處理，最終得到高質(zhì)量連接接頭。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式二的不同點(diǎn)是在步驟三中，高頻感應(yīng)加熱至TiAl合金與TiB2金屬陶瓷連接接頭處的溫度為1200～1300K，保持40～60min，然后停止加熱，TiAl合金和TiB2金屬陶瓷降溫至373K時(shí)撤掉壓力。其它步驟與實(shí)施方式二相同。
具體實(shí)施例方式
四本實(shí)施方式與實(shí)施方式三的不同點(diǎn)是待焊的TiAl合金的成分為Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at％)，TiB2金屬陶瓷的成分為TiB2-40Cu(wt％)。被焊接表面用400#、500#、600#、800#、1000#金相砂紙逐級(jí)磨光，然后采用超聲波清洗儀在丙酮溶液中清洗。按照Ti27.5～45％、Al15～25％、C8～10％、Mo3～5％、余量為Ni的比例稱量出各組分的粉末，將以上組分的粉末采用球磨機(jī)在氬氣保護(hù)下混合24小時(shí)，球磨機(jī)采用的球料比為5～10∶1，采用400～500MPa的軸向壓力將原始粉末壓制成粉末壓坯；采用高頻感應(yīng)加熱方式對(duì)TiAl合金和TiB2金屬陶瓷接頭處加熱至Al元素熔點(diǎn)附近，在完成工件局部預(yù)熱處理的同時(shí)引燃粉末壓坯自蔓延反應(yīng)，通過粉末壓坯的自蔓延反應(yīng)在外加電磁場(chǎng)輔助下實(shí)現(xiàn)TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的初步連接，完成初步連接的焊件繼續(xù)采用高頻感應(yīng)加熱完成擴(kuò)散均勻化處理，處理過程結(jié)束后焊件降溫，結(jié)束。其它步驟與實(shí)施方式三相同。
具體實(shí)施例方式
五本實(shí)施方式與實(shí)施方式四的不同點(diǎn)是按照重量百分比為Ti22.5～40％、Al15～20％、B10～15％、，Mo3～8％、余量為Ni的比例配制原始粉末，采用300～400MPa的壓力將充分混合的原始粉末壓制成粉末壓坯。自蔓延反應(yīng)連接過程中保持40～60MPa的軸向連接壓力。
權(quán)利要求
1.TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于它包括如下步驟一、用高頻電磁場(chǎng)給TiAl合金和TiB2金屬陶瓷預(yù)熱；二、繼續(xù)施加高頻電磁場(chǎng)的同時(shí)給疊置的TiAl合金和TiB2金屬陶瓷施加30-60MPa的軸向壓力，夾在TiAl合金與TiB2金屬陶瓷之間的粉末壓坯被高頻電磁場(chǎng)引燃并發(fā)生自蔓延反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的連接，所述粉末壓坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均勻后壓制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均勻后壓制而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于粉末壓坯各組分的重量百分比為Ti27.5～45％、Al15～25％、C8～10％、Mo3～5％、余量為Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于粉末壓坯各組分的重量百分比為Ti22.5～40％、Al15～20％、B10～15％、Mo4～8％、余量為Ni。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于它還包括如下步驟三、繼續(xù)施加高頻電磁場(chǎng)的同時(shí)給疊置的TiAl合金和TiB2金屬陶瓷施加10～40MPa的軸向壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于在步驟三中，高頻感應(yīng)加熱至TiAl合金與TiB2金屬陶瓷連接接頭處的溫度為1200～1300K，保持40～60min，然后停止加熱，TiAl合金和TiB2金屬陶瓷降溫至373K時(shí)撤掉壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于待焊的TiAl合金的成分為Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at％)，TiB2金屬陶瓷的成分為TiB2-40Cu(wt％)，被焊接表面分別用400#、500#、600#、800#、1000#金相砂紙逐級(jí)磨光，然后采用超聲波清洗儀在丙酮溶液中清洗，按照Ti27.5～45％、Al15～25％、C8～10％、Mo3～5％、余量為Ni的比例稱量出各組分的粉末，將以上組分的粉末采用球磨機(jī)在氬氣保護(hù)下混合24小時(shí)，球磨機(jī)采用的球料比為5～10∶1，采用400～500MPa的軸向壓力將上述粉末壓制成粉末壓坯；采用高頻感應(yīng)加熱方式對(duì)TiAl合金和TiB2金屬陶瓷接頭處加熱至Al元素熔點(diǎn)附近，在完成工件局部預(yù)熱處理的同時(shí)引燃粉末壓坯自蔓延反應(yīng)，通過粉末壓坯的自蔓延反應(yīng)在外加電磁場(chǎng)輔助下實(shí)現(xiàn)TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的初步連接，完成初步連接的焊件繼續(xù)采用高頻感應(yīng)加熱完成擴(kuò)散均勻化處理，處理過程結(jié)束后焊件降溫，結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiAl合金與TiB2金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)連接方法，其特征在于按照重量百分比為Ti22.5～40％、Al15～20％、B10～15％、，Mo3～8％、余量為Ni的比例配制原始粉末，采用300～400MPa的壓力將充分混合的原始粉末壓制成粉末壓坯，自蔓延反應(yīng)連接過程中保持40～60MPa的軸向連接壓力。
全文摘要
TiAl合金與TiB
文檔編號(hào)C04B35/65GK1785913SQ200510010468
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月25日
發(fā)明者馮吉才, 李卓然, 曹健, 何鵬, 劉會(huì)杰 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)