專利名稱：一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
TiAl基合金作為一種金屬間化合物材料，具有高比強(qiáng)度和高比彈性模量，在高溫時(shí)仍可以保持足夠高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)具有良好的抗蠕變及抗氧化性能。因此，TiAl基合金的發(fā)展一直受到世界各國(guó)研究者的關(guān)注和重視，成為航空航天領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力的材料，具有重要的工程化應(yīng)用前景。TiAl基合金的實(shí)際應(yīng)用必然涉及到自身及與其他構(gòu)件的連接。國(guó)內(nèi)為研究者已對(duì)TiAl基合金的連接問題開展了一系列的研究工作。目前，關(guān)于TiAl基合金的連接技術(shù)的研究主要集中在電子束焊、激光焊、自蔓延高溫合成反應(yīng)焊、釬焊和擴(kuò)散焊等方面。有關(guān)熔化焊的研究表明，TiAl基合金存在兩個(gè)較為突出的問題:一是具有熱裂傾向，二是焊縫區(qū)與經(jīng)過熱機(jī)械處理等工藝得到的基體組織不同，表現(xiàn)出較低的力學(xué)性能。因此，對(duì)于低延性的TiAl基合金采用熔化焊方法進(jìn)行連接其焊接性較差，尤其是與異種材料的連接時(shí)更為突出。采用擴(kuò)散焊等固態(tài)連接方法時(shí)可以控制熱循環(huán)，能夠設(shè)計(jì)出復(fù)合TiAl基合金特點(diǎn)的連接工藝參數(shù)，從而改善連接質(zhì)量。Ti3AlC2陶瓷是新型三元層狀陶瓷材料的一種，因其具有優(yōu)異性能成為近年來國(guó)內(nèi)為眾多材料學(xué)者研究的熱點(diǎn)。它既具有金屬的性能，有良好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，有較低的Viskers硬度，像金屬一樣可以進(jìn)行機(jī)械加工，同時(shí)又具有陶瓷的性能，高熔點(diǎn)，高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。這些優(yōu)異性能使其具有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管Ti3AlC2陶瓷具有上述優(yōu)越的綜合性能，但是制備高純度、高致密度的塊體材料非常困難，當(dāng)需要較大尺寸或者復(fù)雜形狀的Ti3AlC2陶瓷構(gòu)件時(shí)，需要通過連接的手段將較小尺寸及形狀簡(jiǎn)單的Ti3AlC2陶瓷實(shí)現(xiàn)可靠的連接。另外考慮到Ti3AlC2陶瓷的優(yōu)異性能，不可避免的需要與其他材料進(jìn)行連接，以充分發(fā)揮其潛在價(jià)值。鑒于TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的綜合優(yōu)異性能，將兩種材料連接到一起制備成復(fù)合構(gòu)件，可以充分發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢(shì)，特別是在航空航天等高溫結(jié)構(gòu)零部件制造等方向，具有極大的應(yīng)用前景。到目前為止，國(guó)內(nèi)外還沒有關(guān)于TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷連接的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷難于連接的問題，而提供一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具體是按照以下步驟完成的:一、將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用線切割，得到待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷；二、將步驟一得到的待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面采用砂紙打磨后拋光，再將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面放入丙酮中超聲清洗5min IOmin ；三、將Zr箔和Ni箔置于待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面之間，裝配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的裝配件，其中Zr箔的厚度為25 μ m 150 μ m,Ni箔的厚度為25 μ m 150 μ m ；四、將步驟三得到的裝配件放置在真空加熱爐中，施加20MPa 40MPa的壓力，當(dāng)真空加熱爐真空度達(dá)到(1.3 2.0) X10_3Pa時(shí)，通電加熱，控制升溫速度為20°C /min 400C /min,升溫至800°C 900°C，然后保溫30min 120min，再控制冷卻速度為5°C /min IO0C /min，冷卻至300°C，然后再隨爐冷卻，即完成采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本發(fā)明步驟三中裝配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的結(jié)構(gòu)，使Zr箔位于靠近TiAl基合金側(cè)，Ni箔位于靠近Ti3AlC2陶瓷側(cè)。通過Zr、Ni與TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷中元素的相互反應(yīng)和擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了可靠的連接。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明選用Zr箔與Ni箔作為復(fù)合中間層材料,能夠?qū)崿F(xiàn)接頭的連接。首先，Ni通過與TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷中的Ti和Al等反應(yīng)，形成了化合物，實(shí)現(xiàn)了連接，其次，Zr與Ni反應(yīng)生成Zr-Ni化合物，消耗了一部分的Ni，降低了 Ni與其他元素反應(yīng)生成脆性的金屬間化合物的傾向，從一定程度上提高的接頭的力學(xué)性能。本發(fā)明采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷，通過控制擴(kuò)散連接溫度(800 900°C)和保溫 時(shí)間(30 120min)，以控制反應(yīng)層的厚度和接頭中反應(yīng)相的分布，進(jìn)而達(dá)到控制接頭組織和性能的目的，成功實(shí)現(xiàn)了 TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接，并獲得了可靠的接頭。接頭的室溫剪切強(qiáng)度最高可達(dá)103.6MPa。本發(fā)明TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的成功連接，將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接件用于高溫結(jié)構(gòu)的航空零部件，能有效提高現(xiàn)有器件的比強(qiáng)度、抗蠕變性能和抗氧化性能，具有極大的應(yīng)用前景。本發(fā)明用于采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷。


圖1為實(shí)施例一獲得的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的接頭界面組織結(jié)構(gòu)的背散射電子照片。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
之間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一:本實(shí)施方式一種米用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具體是按照以下步驟完成的:一、將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用線切割，得到待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷；
二、將步驟一得到的待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面采用砂紙打磨后拋光，再將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面放入丙酮中超聲清洗5min IOmin ；三、將Zr箔和Ni箔置于待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面之間，裝配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的裝配件，其中Zr箔的厚度為25^-150^,Ni箔的厚度為25 μ m 150 μ m ；四、將步驟三得到的裝配件放置在真空加熱爐中，施加20MPa 40MPa的壓力，當(dāng)真空加熱爐真空度達(dá)到(1.3 2.0) X10_3Pa時(shí)，通電加熱，控制升溫速度為20°C /min 400C /min,升溫至800°C 900°C，然后保溫30min 120min，再控制冷卻速度為5°C /min IO0C /min，冷卻至300°C，然后再隨爐冷卻，即完成采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本實(shí)施方式采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷，通過控制擴(kuò)散連接溫度(800 900°C)和保溫時(shí)間(30 120min)，以控制反應(yīng)層的厚度和接頭中反應(yīng)相的分布，進(jìn)而達(dá)到控制接頭組織和性能的目的，成功實(shí)現(xiàn)了 TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接，并獲得了可靠的 接頭。接頭的室溫剪切強(qiáng)度最高可達(dá)103.6MPa。本實(shí)施方式TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的成功連接，將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接件用于高溫結(jié)構(gòu)的航空零部件，能有效提高現(xiàn)有器件的比強(qiáng)度、抗蠕變性能和抗氧化性能，具有極大的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟三中Zr箔的厚度為50μπ ΙΟΟμ ，Ni箔的厚度為50μπ 100 μ Π1。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是:步驟三中Zr箔的厚度為80 μ m, Ni箔的厚度為80 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟四中施加30MPa的壓力。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟四中真空加熱爐真空度達(dá)到1.5X10_3Pa。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟四中控制升溫速度為30°C/min。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟四中升溫至850 °C。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
八:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟四中保溫50min lOOmin。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
九:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是:步驟四中保溫60min。其它與具體實(shí)施方式
一至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟四中冷卻速度為8°C /min。其它與具體實(shí)施方式
一相同。采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:實(shí)施例一:本實(shí)施例一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具體是按照以下步驟完成的:
一、將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用線切害I]，得到待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷，其中，待連接的TiAl基合金尺寸為20mmX8mmX2mm、Ti3AlC2陶瓷尺寸為4mm X 4mm X 3mm ；二、將步驟一得到的待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面采用砂紙打磨后拋光，再將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面放入丙酮中超聲清洗8min ；三、將Zr箔和Ni箔置于待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面之間，裝配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的裝配件，其中Zr箔的厚度為80 μ m,Ni箔的厚度為80ym ；四、將步驟三得到的裝配件放置在真空加熱爐中，施加30MPa的壓力，當(dāng)真空加熱爐真空度達(dá)到1.5 X 10_3Pa時(shí)，通電加熱，控制升溫速度為30°C /min,升溫至850°C，然后保溫60min，再控制冷卻速度為8 V /min，冷卻至300°C，然后再隨爐冷卻，即完成采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本實(shí)施例獲得的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的擴(kuò)散連接接頭界面組織結(jié)構(gòu)的背散射電子照片如圖1所示，由圖1可以看出，采用本實(shí)施方式獲得的接頭完整致密，無裂紋等缺陷，實(shí)現(xiàn)了 TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的可靠連接。經(jīng)測(cè)試，接頭的室溫平均剪切強(qiáng)度達(dá)到 1 03.6MPa。
權(quán)利要求
1.一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具體是按照以下步驟完成的: 一、將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用線切割，得到待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷； 二、將步驟一得到的待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面采用砂紙打磨后拋光，再將TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面放入丙酮中超聲清洗5min IOmin ； 三、將Zr箔和Ni箔置于待連接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接面之間，裝配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的裝配件，其中Zr箔的厚度為25 μ m 150 μ m，Ni箔的厚度為25 μ m 150 μ m ； 四、將步驟三得到的裝配件放置在真空加熱爐中，施加20MPa 40MPa的壓力，當(dāng)真空加熱爐真空度達(dá)到(1.3 2.0) X 10_3Pa時(shí)，通電加熱，控制升溫速度為20°C /min 40°C /min，升溫至800°C 900°C，然后保溫30min 120min，再控制冷卻速度為5°C /min IO0C /min，冷卻至300°C，然后再隨爐冷卻，即完成采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟三中Zr箔的厚度為50μπι 100ym，Ni箔的厚度為50 μ m 100 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟三中Zr箔的厚度為80 μ m, Ni箔的厚度為80 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中施加30MPa的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中真空加熱爐真空度達(dá)到1.5Xl(T3Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中控制升溫速度為30°C /min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中升溫至850°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中保溫50min lOOmin。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中保溫60min。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步驟四中冷卻速度為8°C /min。
全文摘要
一種采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，本發(fā)明涉及連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本發(fā)明要解決TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷難于連接的問題。方法一、切割；二、打磨、拋光、清洗；三、裝配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的裝配件；四、完成采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的連接，并獲得了可靠的接頭。接頭的室溫剪切強(qiáng)度最高可達(dá)103.6MPa。本發(fā)明用于采用Zr/Ni復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷。
文檔編號(hào)C04B37/02GK103204694SQ201310115208
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者曹健, 劉甲坤, 林興濤, 張麗霞, 馮吉才 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)