專利名稱：一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種，特別是一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法。
背景技術：
目前國際上比較流行的用于汽車發(fā)動機、坦克發(fā)動機以及艦船發(fā)動機等的渦輪材料是K418，與鋼軸的連接方法通常為摩擦焊接，但這種結構的缺點是渦輪整體質量大，導致發(fā)動機的瞬態(tài)響應性差。鈦鋁合金除具有一般金屬間化合物的優(yōu)點外，還有密度低、抗氧化性好、導熱率低、比強度高、比彈性模量高等特性，特別適合用于汽車發(fā)動機、坦克發(fā)動機以及艦船發(fā)動機等的渦輪增壓器的渦輪端。但鈦鋁合金如何與鋼軸連接是一個相當復雜的問題，目前已報道的連接方法包括釬焊和摩擦焊，釬焊焊接強度較摩擦焊要低，且工藝較復雜，生產效率較低。在趙全忠2000年西北工業(yè)大學碩士論文“TiAl金屬間化合物與結構鋼摩擦焊接技術研究”中，作者試驗了鈦鋁與42CrMo鋼軸的直接摩擦焊接，結果顯示，兩種材質直接摩擦焊接可以獲得一定強度的接頭，但其強度極低，Im高度落差摔擊即斷，根本滿足不了強度要求。在CN 101844271 A的中國專利中，發(fā)明人公開了一種鈦鋁渦輪與42CrMo調質鋼軸的摩擦焊接方法，技術方案是在鈦鋁合金渦輪一側加工回轉體形狀的嵌入槽，焊接過程中渦輪軸的焊接端面與鈦鋁合金渦輪的嵌入槽焊接面摩擦，通過控制摩擦縮短量，使得渦輪軸側形成的飛邊填充滿嵌入槽。從而達到焊接面的冶金結合與機械連接的雙重效果，連接件接頭室溫拉伸強度由背景技術的390MI^提高到48(T537MPa。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，經此摩擦焊接及加工方法后，焊縫結合牢固，焊接工藝穩(wěn)定，根據(jù)此方法加工的零部件可以在800°C的高溫環(huán)境下長時間工作。為了實現(xiàn)解決上述技術問題的目的，本發(fā)明采用了如下技術方案
本發(fā)明的一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，特征在于整個渦輪部件結構由鈦鋁合金渦輪、中間過渡軸和42CrMo鋼軸組成，鈦鋁合金渦輪與中間過渡軸、中間過渡軸與42CrMo鋼軸分別以摩擦焊接方式結合，然后經過退火處理、機加工等工序得到渦輪部件產品；其中，摩擦焊接的接觸部位設計為相結合凸臺和凹槽相結合的形式，凸臺和凹槽互相配合，而且凸臺和凹槽為軸向截面為等腰梯形。這樣的情況下，截面為等腰梯形凸臺和凹槽構成一個圓臺結構，可以進行360度旋轉也方便進行摩擦焊接。所述的凸臺和凹槽的梯形截面中，梯形底邊和斜邊的夾角為30°飛0° ；頂邊和底邊的長度比為0. 3^0. 7。進一步的，梯形的頂邊構成的平面面積與軸的橫截面面積比例為 0. 0Γ0. 1。所述的軸包括中間過渡軸和42CrMo鋼軸。進一步具體的技術方案是鈦鋁合金渦輪材質原子百分比為A1 :45^49% ；Nb Γ5% ；Cr 0. 5 2. 0% ；Ni :0 0· 6% ；Si :0 0· 8% ；Ti 余量；其余為不可避免雜質。進一步具體的技術方案還可以是中間過渡軸的材質為鎳基高溫合金、鐵基高溫合金或鑄造高溫合金的任一種。進一步具體的技術方案還可以是鈦鋁材料與高溫合金摩擦焊接工藝轉速 70(T900r/min，摩擦壓力35(T450MPa，摩擦時間5 10秒，頂鍛壓力50(T680MPa，保壓時間 4、秒；高溫合金與鋼軸的摩擦焊接工藝摩擦壓力41(T430MPa，頂鍛壓力55(T580MPa，摩擦時間為4飛秒，焊后保壓5 7秒鐘。其中α角為摩擦焊接的接觸部位凸臺或者凹槽的梯形截面的底邊與斜邊的夾角，α角度為30° 70°，軸徑15 35mm，尺寸為軸半徑與凸臺底半徑的差，尺寸b為凸臺高度，a=3 7mm，b=2飛mm，在此角度范圍內，結合面積增大，優(yōu)選的參數(shù)為α =60°，a=5mm, b=10mm。假設軸的直徑為20mm，則兩軸的摩擦接觸面積由原先兩軸直接對焊時的314mm2 增加到約為373mm2以上，增幅19%以上，即相對于平面端面連接方法焊縫結合強度提高了 19%，因此改進后焊縫連接牢固可靠，并且便于機加工，實現(xiàn)批量生產。進一步具體的技術方案還可以是焊接完成后退火處理的工藝為退火溫度 55(T800°C，保溫時間1. 5 3h，然后隨爐冷卻至室溫。所述的鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，具體工藝步驟為
(1)鈦鋁渦輪、中間過渡軸、42CrMo鋼軸按圖紙機加工；包括加工摩擦焊接的接觸部位的凸臺和凹槽；
(2)中間過渡軸與42CrMo鋼軸摩擦焊接；
(3)車加工除去多余的飛邊；
(4)鈦鋁渦輪與中間過渡軸摩擦焊接；
(5)去應力退火；
(6)成品機加工。經此工藝焊接的零件退火后進行拉伸測試，焊接面結合牢固，斷裂位置均在鈦鋁合金母材區(qū)域。這些技術方案也可以互相組合或者結合，從而達到更好的技術效果。本專利通過使用上述方法，可以使得材料的結合部位的強度大于材料本體的強度，這樣在進行拉伸等操作時，材料的斷裂部位即發(fā)生在材料本體，完全達到了技術方案的目的。通過采用上述技術方案，本發(fā)明具有以下的有益效果
本發(fā)明的一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，通過增大了焊接面的有效接觸面積，切實提高了整個結構的結合強度，且工藝簡單，可以批量生產。經此方法焊接后，可以保證試棒在拉伸過程中斷裂不發(fā)生在焊縫區(qū)，全部斷在鈦鋁母材區(qū)域。該方法加工得到的產品可以大大提高渦輪增壓效率，增強發(fā)動機瞬時響應性，降低污染物排放，具有良好的前景。


圖1是渦輪為凸臺結構，42CrMo鋼軸為凹槽結構時摩擦焊接的接觸部位示意圖。圖2是渦輪凹槽結構，42CrMo鋼軸均為凸臺結構時摩擦焊接的接觸部位示意圖。圖中，1為鈦鋁渦輪，2為高溫合金中間過渡軸，3為42CrMo鋼軸，α為接觸部位凸臺或者凹槽的梯形截面的底邊與斜邊的夾角。
具體實施例方式實施例1
鈦鋁合金采用Ti-46Al-4Nb-0. 6Cr-0. 2Ν -0. 2Si(原子分數(shù))，鋼軸為42CrMo鋼軸，中間過渡軸材質為^ic0ne1713高溫合金。首先按照圖紙1所示，將鈦鋁合金、Inc0ne1713合金、 42CrMo鋼軸三者的結合面加工到位，α角度為30°，軸徑20mm，凹槽尺寸為(4+11) X 2mm， 即凸臺上下端面直徑分別為4mm、11mm，高2mm，加工時，車床主軸轉速選擇200轉/分，切削深度選擇0. 2mm。Inconel713軸與42CrMo鋼軸摩擦焊將hconel713軸與42CrMo鋼軸分別裝夾在C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為摩擦壓力420MPa，頂鍛壓力580MPa，摩擦時間為5秒，焊后保壓5秒鐘，待工件冷卻后車加工除去多余飛邊。鈦鋁合金與hc0ne1713軸摩擦焊接將鈦鋁合金與hcone1713軸分別裝夾在 C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為轉速720轉/分，摩擦壓力 420MPa，頂鍛壓力510MPa，摩擦時間為6秒，焊后保壓5秒鐘。將焊接好的部件放入真空爐進行退火處理，溫度550°C，保溫時間3h，隨爐冷卻至室溫。將退火后的結構件加工成拉伸試棒進行拉伸測試，抗拉強度380MPa，斷裂部位為鈦鋁材質母材處。實施例2
鈦鋁合金采用Ti-48Al-2Nb-0. 7Cr-0. 4Si (原子分數(shù))，鋼軸為42CrMo鋼軸，中間過渡軸材質為GH1016高溫合金。首先按照圖紙1所示，將鈦鋁合金、GH1016合金、42CrMo鋼軸三者的結合面加工到位，α角度為60°，軸徑20mm，凹槽尺寸為(6+10) X 3. 5mm，即凸臺上下端面直徑分別為6mm、10mm,高3. 5mm,加工時，車床主軸轉速選擇205轉/分，切削深度選擇 0. 3mmοGH1016軸與42CrMo鋼軸摩擦焊將GH1016軸與42CrMo鋼軸分別裝夾在C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為摩擦壓力450MPa，頂鍛壓力600MPa， 摩擦時間為5秒，焊后保壓6秒鐘，待工件冷卻后車加工除去多余飛邊。鈦鋁合金與GH1016軸摩擦焊接將鈦鋁合金與GH1016軸分別裝夾在C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為轉速800轉/分，摩擦壓力380MPa，頂鍛壓力550MPa，摩擦時間為6秒，焊后保壓5秒鐘。將焊接好的部件放入真空爐進行退火處理，溫度700°C，保溫時間2h，隨爐冷卻至室溫。將退火后的結構件加工成拉伸試棒進行拉伸測試，抗拉強度365MPa，斷裂部位為鈦鋁材質母材處。實施例3
鈦鋁合金采用Ti-48Al-2Nb-0. 7Cr-0. 4Si (原子分數(shù))，鋼軸為42CrMo鋼軸，中間過渡軸材質為K403鑄造高溫合金。首先按照圖紙1所示，將鈦鋁合金、K403合金、42CrMo鋼軸三者的結合面加工到位，α角度為60°，軸徑20mm，凹槽尺寸為(6+10) X 3. 5mm，即凸臺上下端面直徑分別為6mm、10mm,高3. 5mm,加工時，車床主軸轉速選擇200轉/分，切削深度選擇 0. 1mm。K403軸與42CrMo鋼軸摩擦焊將K403軸與42CrMo鋼軸分別裝夾在C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為摩擦壓力450MPa，頂鍛壓力600MPa，摩擦時間為5秒，焊后保壓6秒鐘，待工件冷卻后車加工除去多余飛邊。鈦鋁合金與K403軸摩擦焊接將鈦鋁合金與K403軸分別裝夾在C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為轉速890轉/分，摩擦壓力445MPa，頂鍛壓力680MPa，摩擦時間為10秒，焊后保壓8秒鐘。將焊接好的部件放入真空爐進行退火處理，溫度780°C，保溫時間1. 5h，隨爐冷卻
至室溫。將退火后的結構件加工成拉伸試棒進行拉伸測試，抗拉強度403MPa，斷裂部位為鈦鋁材質母材處。
實施例4
鈦鋁合金采用Ti-48Al-2Nb-2Cr (原子分數(shù))，鋼軸為42CrMo鋼軸，中間過渡軸材質為 Incoloy907變形高溫合金。首先按照圖紙1所示，將鈦鋁合金、Incoloy907合金、42CrMo鋼軸三者的結合面加工到位，α角度為45°，軸徑20mm，凹槽尺寸為(6+14)X4mm，加工時，車床主軸轉速選擇210轉/分，切削深度選擇0. 1mm。Incoloy907軸與42CrMo鋼軸摩擦焊將hcoloy907軸與42CrMo鋼軸分別裝夾在C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為摩擦壓力450MPa，頂鍛壓力600MPa，摩擦時間為5秒，焊后保壓6秒鐘，待工件冷卻后車加工除去多余飛邊。鈦鋁合金與hCOlOy907軸摩擦焊接將鈦鋁合金與hcOlOy907軸分別裝夾在 C25型連續(xù)驅動摩擦焊機的主軸端和夾具端，焊接工藝參數(shù)為轉速700轉/分，摩擦壓力 345MPa，頂鍛壓力580MPa，摩擦時間為8秒，焊后保壓8秒鐘。將焊接好的部件放入真空爐進行退火處理，溫度800°C，保溫時間1. 5h，隨爐冷卻
至室溫。將退火后的結構件加工成拉伸試棒進行拉伸測試，抗拉強度410MPa，斷裂部位為鈦鋁材質母材處。
權利要求
1.一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，其特征是于整個渦輪部件結構由鈦鋁合金渦輪、中間過渡軸和42CrMo鋼軸組成，鈦鋁合金渦輪與中間過渡軸、中間過渡軸與 42CrMo鋼軸分別以摩擦焊接方式結合，然后經過退火處理、機加工工序得到渦輪部件產品； 其中，摩擦焊接的接觸部位設計為相結合凸臺和凹槽相結合的形式，凸臺和凹槽互相配合， 而且凸臺和凹槽為軸向截面為等腰梯形；梯形底邊和斜邊的夾角為30°飛0° ；頂邊和底邊的長度比為0. 3^0. 7，梯形的頂邊構成的平面面積與軸的橫截面面積比例為0. 0Γ0. 1。
2.根據(jù)權利要求1所述鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，其特征是所述的鈦鋁合金渦輪材質原子百分比為:A1 :45^49% ；Nb :Γ5% ；Cr 0. 5 2. 0% ；Ni :0 0· 6% ；Si (Γ0. 8% ；Ti 余量；其余為不可避免雜質。
3.根據(jù)權利要求1所述鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，其特征是所述的中間過渡軸的材質為鎳基高溫合金、鐵基高溫合金或鑄造高溫合金的任一種。
4.根據(jù)權利要求1所述鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，其特征是所述的鈦鋁材料與高溫合金摩擦焊接工藝轉速70(T900r/min，摩擦壓力35(T450MPa，摩擦時間 5 10秒，頂鍛壓力50(T680MPa，保壓時間4、秒；高溫合金與鋼軸的摩擦焊接工藝摩擦壓力41(T430MPa，頂鍛壓力55(T580MPa，摩擦時間為4 6秒，焊后保壓5 7秒鐘。
5.根據(jù)權利要求1所述鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，其特征是焊接完成后退火處理的工藝為退火溫度55(T800°C，保溫時間1. 5 3h，然后隨爐冷卻至室溫。
6.根據(jù)權利要求1-5任一項所述鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，其特征是 連接方法具體工藝步驟為(1)鈦鋁渦輪、中間過渡軸、42CrMo鋼軸按圖紙機加工；包括加工摩擦焊接的接觸部位的凸臺和凹槽；(2)中間過渡軸與42CrMo鋼軸摩擦焊接；(3)車加工除去多余的飛邊；(4)鈦鋁渦輪與中間過渡軸摩擦焊接；(5)去應力退火；(6)成品機加工。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一直鈦鋁合金渦輪與42CrMo鋼軸的連接方法，渦輪部件的鈦鋁合金渦輪與中間過渡軸、中間過渡軸與42CrMo鋼軸分別以摩擦焊接方式結合；接觸部位為凸臺和凹槽結合，凸臺和凹槽為軸向截面為等腰梯形，底邊和斜邊的夾角為30°~60°；頂邊和底邊的長度比為0.3~0.7，梯形的頂邊構成的平面面積與軸的橫截面面積比例為0.01~0.1。本發(fā)明通過增大焊接面的有效接觸面積，切實提高了整個結構的結合強度，且工藝簡單，可以批量生產；焊接后斷裂全部在鈦鋁母材區(qū)域，可大大提高渦輪增壓效率，增強發(fā)動機瞬時響應性，降低污染物排放。
文檔編號B23K20/12GK102211249SQ20111013858
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2011年5月26日
發(fā)明者包淑娟, 吳勝男, 周洪強, 王孟光, 陳志強 申請人:洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司