專利名稱：一種鈦鋁基合金和鈦合金的異種金屬等強(qiáng)度接頭連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦鋁基合金和鈦合金(TC4)的異種金屬等強(qiáng)度接頭的擴(kuò)散焊接方法。
背景技術(shù)：
航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對結(jié)構(gòu)材料的要求，特別是對高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的要求越來越高。TiAl合金具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度和高溫抗氧化性能，比重僅為3. Sg/ cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)今使用的比重為8. 3g/cm3的Ni基高溫合金，因此鈦鋁合金在飛機(jī)渦輪、汽車發(fā)動機(jī)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)等方面成為可替代Ti合金和Ni基高溫合金的候選材料之一。隨著航天工業(yè)的快速發(fā)展，TiAl基合金已經(jīng)逐漸顯示出其低密度、高熔點(diǎn)、良好的高溫強(qiáng)度以及出色的抗氧化、抗蠕變和抗疲勞性能的優(yōu)點(diǎn)，可大大降低航天發(fā)動機(jī)、飛行器的重量，提高發(fā)動機(jī)的推重比。該種材料引起科研單位和專家們的重視，并可能成為具有發(fā)展前景的航天材料。但同時TiAl合金的室溫塑韌性較低，室溫加工性能較差，一直限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。近些年來對TiAl合金進(jìn)行了大量研究，通過合金化和顯微組織控制，使TiAl 合金的室溫塑韌性有了較大改善，使其逐步走向?qū)嵱?，目前TiAl合金已應(yīng)用在噴氣發(fā)動機(jī)的低壓渦輪葉片及內(nèi)燃機(jī)的排氣閥上。在該合金的實(shí)用過程中，必然會遇到連接問題，其中包括與異類合金(如與高溫合金、Ti合金)的連接。探索該合金與其它金屬的連接方法，對促進(jìn)該合金的實(shí)用化、擴(kuò)大其適用范圍以及發(fā)揮其性能優(yōu)勢等具有重要意義。采用擴(kuò)散連接技術(shù)，因無需研制特殊焊劑，可以迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大面積零件的連接，對該材料的迅速應(yīng)用將起到重要的推動作用。異種合金間的連接技術(shù)一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)前沿課題， 特別是對新材料與它種材料的固態(tài)連接技術(shù)更是研究工作者所關(guān)注的重點(diǎn)。與同種合金的固態(tài)連接不同，由于異種合金間性能，特別是高溫性能的差異，增大了連接工藝參量選擇及工藝實(shí)施的難度。尤其對于高溫組織及性能差異較大的材料，連接溫度的選擇與保證不同材料的組織和性能之間往往存在矛盾。例如，采用熱等靜壓擴(kuò)散連接TiAl基合金與不銹鋼，選擇較低連接溫度將大幅度地延長連接時間，提高連接溫度則導(dǎo)致鋼中組織轉(zhuǎn)變。但在同種合金固態(tài)連接中具有降低連接溫度、縮短連接時間的擴(kuò)散連接技術(shù)，卻因異種合金高溫性能的差異而無法應(yīng)用。近年來，在TiAl基合金與它種合金的連接研究方面，目前已見諸報導(dǎo)的有TiAl基合金與鈦合金的熱等靜壓擴(kuò)散連接，TiAl基合金與結(jié)構(gòu)鋼的擴(kuò)散連接等。文獻(xiàn)《Difusion bonding of titanium-titanium alumi-nide-alumina sandwich》(H.A.ffickman, E. S. C. Chin. Nevada, USA Proceedings of the TMS. Annual Meeting on Gamma Titanium Aluminides, 2005 :499-505)中 H. A. Wickman 等人研究了欽合金 /TiAl 基復(fù)合材料 / Al2O3陶瓷三層結(jié)構(gòu)的真空擴(kuò)散連接行為。三層結(jié)構(gòu)都獲得良好連接的溫度和時間組配為 1573K/3. 6ks、1523K/36ks和1473K/360ks。但是，由于連接溫度過高，Ti合金發(fā)生^相變， 嚴(yán)重影響到鈦合金母材的塑性指標(biāo)。在1373K/360ks的連接條件下，在鈦合金/TiAl基復(fù)合材料的界面處，形成了 Y + a2全層片組織區(qū)、富Al的a相區(qū)和Ti-B化合物區(qū)，而且鈦合金母材因發(fā)生了再結(jié)晶而使晶粒明顯粗化。文獻(xiàn)《Tensile and creep properties of diffusion bonded titanium alloy IMI 834to gamma titanium aluminide IHI alloy OlA)) (M. Holmquist, V. Recina, B. Pettersson. Acta mater. , 2005,47 (6) 1791-1799)報道 M. Holmquist等人在連接溫度1173K，1213K，1253K，連接時間lh，連接壓力200MPa條件下進(jìn)行了 TiAl基合金與鈦合金的熱等靜壓擴(kuò)散連接，其接頭性能測試表明，1253K連接性能最高，接頭室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率與TiAl基合金母材相似，斷裂大部分發(fā)生在連接接口處， 由于接頭處生成了脆性的金屬間化合物Ti3Al相，斷口十分平坦，呈現(xiàn)脆性斷口特征。有必要指出的是，Ti合金母材在1213K連接條件下發(fā)生了晶粒粗化和部分組織的3轉(zhuǎn)變，1253K 下則完全發(fā)生了 P轉(zhuǎn)變，帶來了母材整體性能的下降。目前，TiAl基合金與其它材料的擴(kuò)散連接技術(shù)有以下特點(diǎn)連接溫度過高，連接時間長，不僅存在著工藝成本高，對設(shè)備的要求高等缺點(diǎn)，并且?guī)砹四覆慕M織的改變與性能的下降，限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種具有實(shí)用性，并且能夠滿足鈦鋁基合金的焊接，以及拓寬鈦鋁基合金應(yīng)用范圍的一種鈦鋁基合金和鈦合金(TC4)的異種金屬等強(qiáng)度接頭的擴(kuò)散焊接方法?！N鈦鋁基合金和鈦合金的異種金屬接頭擴(kuò)散焊接方法，該方法如下(I)對鈦鋁基合金進(jìn)行焊前熱處理，熱處理的條件為真空環(huán)境下，在溫度1330 1360。。保溫10 40min,隨爐冷卻；(2)對待焊鈦合金和經(jīng)過熱處理的鈦鋁基合金表面進(jìn)行清理；(3)將待焊鈦鋁基合金和鈦合金置于保護(hù)套中，所述保護(hù)套用于使待焊試件在擴(kuò)散焊接時非焊接面不發(fā)生變形；(4)在溫度為850 930°C，焊接壓力為70 80MPa的條件下，對鈦合金和鈦鋁基合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接，時間根據(jù)焊件尺寸而定，以焊件焊透為基準(zhǔn)。步驟(I)中所述的焊前熱處理優(yōu)選溫度為1355°C，熱處理的優(yōu)選保溫時間為 30mino步驟(4)擴(kuò)散焊接的優(yōu)選條件為溫度為900°C，焊接壓力為80MPa。所述鈦合金為TC4鈦合金。所述保護(hù)套通常由不銹鋼材料制成。保護(hù)套根據(jù)待焊試件尺寸制作，當(dāng)待焊鈦鋁基合金與鈦合金均呈圓棒狀時，保護(hù)套可采用不銹鋼管，其內(nèi)徑與待焊試件的直徑相同，且長度大于待焊TiAl基合金棒與鈦合金棒的長度之和。步驟(2)中對母材表面的清理采用物理清理、化學(xué)清理或者先物理清理后化學(xué)清理。所述物理清理是用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂紙逐級磨光，然后將母材
放入丙酮溶液中用超聲波清洗。所述化學(xué)清理是根據(jù)母材的不同而配置相應(yīng)的腐蝕液來去除母材表面的吸附層、 雜質(zhì)或氧化膜。擴(kuò)散焊接完畢后，可對其進(jìn)行焊后退火處理，目的為去除殘余應(yīng)力。退火溫度優(yōu)選 860°C，時間根據(jù)焊件大小而定。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明通過在預(yù)連接TiAl基合金與TC4合金外側(cè)加保護(hù)套可以很大程度上減輕 TC4合金在900°C下處于超塑性狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)散焊接極易發(fā)生的非連接面塑性變形，保證了擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，并獲得良好的連接效果。利用本發(fā)明得到的接頭兩側(cè)元素得到了充分的擴(kuò)散，達(dá)到冶金結(jié)合的效果；部分焊件TC4側(cè)接頭斷口上出現(xiàn)了從TiAl基合金基體上撕裂下來的TiAl片層組織，表明了局部接頭的強(qiáng)度高于TiAl基合金基體的強(qiáng)度；部分接頭試樣的抗拉強(qiáng)度超過了 TiAl基合金基體的抗拉強(qiáng)度。


圖I為TiAl基合金與TC4合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接的模型；圖2為接頭中元素擴(kuò)散情況的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I鈦鋁基合金和鈦合金(TC4)的異種金屬等強(qiáng)度接頭擴(kuò)散焊接方法是(I)對待焊的鈦鋁基合金進(jìn)行焊前熱處理，熱處理?xiàng)l件為真空環(huán)境下，在溫度為 1355 °C保溫30min，隨爐冷卻。(2)對待焊的母材表面進(jìn)行清理先用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂紙逐
級磨光，然后將母材放入丙酮溶液用超聲波清洗。(3)待焊鈦鋁基合金與鈦合金均為0lOmm、長30mm的小棒，根據(jù)待焊試件尺寸制作外徑020mm、內(nèi)徑0lOmm、長70mm的不銹鋼管作為保護(hù)套，將待焊鈦鋁基合金和鈦合金 (TC4)置于其中，以防止其非焊接接觸面在高溫下發(fā)生塑性變形。(4)在溫度為900°C、焊接壓力為SOMPa的焊接參數(shù)下，以氬氣為保護(hù)氣體，對鈦合金(TC4)和鈦鋁基合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接，保持一小時。(5)焊接完畢，取出焊接試件，隨后對其進(jìn)行焊后退火處理，退火溫度為860°C，時間為半小時。圖I為TiAl基合金與TC4合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接的模型，待焊TiAl基合金棒與TC4 合金棒位于不銹鋼保護(hù)套中央，保護(hù)套兩端各有一根0lOmm、長40mm的不銹鋼棒伸入保護(hù)套中，不銹鋼棒的外端用夾頭夾住，通過不銹鋼棒向中間施力擠壓待焊試件。擴(kuò)散焊接時在待焊試件兩側(cè)通電，金屬橫截面積越小，電阻越大，同樣電流下，溫度則越高，在試件加熱的中間部位有一段均勻加熱區(qū)。圖I所示使用不銹鋼保護(hù)套，保證了 TC4合金在900°C時達(dá)到了超塑性狀態(tài)下在非焊接面上不會發(fā)生明顯變形。圖2為接頭元素的擴(kuò)散情況，可以看出左側(cè)的TiAl與右側(cè)的TC4達(dá)到了良好的冶金結(jié)合，焊縫組織比較致密。圖中顯示了 Al、Nb、Ti、V、Cr等元素在兩種合金之間的擴(kuò)散情況。中間偏上的橫線為線掃描的軌跡，由上到下的強(qiáng)度波形分別代表了 Al、Nb、Ti、V、Cr五種元素線掃描的結(jié)果?？梢钥闯鯰iAl側(cè)中的Al、Cr、Nb在向TC4側(cè)擴(kuò)散，TC4側(cè)的Ti、V也在向TiAl側(cè)擴(kuò)散。元素間的相互擴(kuò)散促進(jìn)了兩種不同材料的結(jié)合。按以上步驟實(shí)施例獲得的鈦鋁基合金/鈦合金(TC4)接頭在常溫下抗拉強(qiáng)度為460 490MPa，達(dá)到了鈦鋁基合金母材的100% 110% ;400°C抗拉強(qiáng)度為480 達(dá)到了鈦鋁基合金母材的95 % 105 %，是一種等強(qiáng)接頭。 5IOMPa,
權(quán)利要求
1.一種鈦鋁基合金和鈦合金的異種金屬等強(qiáng)度接頭擴(kuò)散焊接方法，其特征在于該方法步驟如下(1)對鈦鋁基合金進(jìn)行焊前熱處理，熱處理的條件為在真空環(huán)境下，在溫度1330 1360。。保溫10 40min,隨爐冷卻；(2)對鈦合金和經(jīng)過熱處理的待焊鈦鋁基合金表面進(jìn)行清理；(3)將待焊鈦鋁基合金和鈦合金置于保護(hù)套中，所述保護(hù)套用于使待焊試件在擴(kuò)散焊接時非焊接面不發(fā)生變形；(4)在溫度為850 930°C，壓力為70 80MPa的條件下，對鈦合金和鈦鋁基合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I中所述的方法，其特征在于步驟(I)中所述的焊前熱處理溫度為 1355。。。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(4)擴(kuò)散焊接的條件為溫度為 9OO °C，壓力為 8OMPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述鈦合金為TC4鈦合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(I)熱處理的保溫時間為30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述保護(hù)套由不銹鋼材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于擴(kuò)散焊接完畢后，取出焊接試件，對其進(jìn)行焊后退火處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述退火處理的溫度為860°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求書I中所述的方法，其特征在于步驟(2)中對母材表面的清理采用物理清理、化學(xué)清理或者先物理清理后化學(xué)清理。
10.根據(jù)權(quán)利要求書9中所述的方法，其特征在于所述物理清理是用200#、400#、 600#,800#, 1000#金相砂紙逐級磨光，然后放入丙酮溶液中用超聲波清洗。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域的一種鈦鋁基合金和鈦合金的異種金屬等強(qiáng)度接頭的擴(kuò)散焊接方法。包括如下步驟(1)對待焊的鈦鋁基合金進(jìn)行焊前熱處理，熱處理溫度為1330～1360℃，保溫10～40min；(2)將待焊鈦鋁基合金和鈦合金置于保護(hù)套內(nèi)，防止鈦合金非焊接接觸面在高溫下發(fā)生塑性變形。(3)在850～930℃，70～80MPa的條件下，對鈦合金和鈦鋁基合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接。本發(fā)明獲得的接頭在常溫下抗拉強(qiáng)度為460～490MPa，達(dá)到了鈦鋁基合金母材的100％～110％；400℃抗拉強(qiáng)度為480～510MPa，達(dá)到了鈦鋁基合金母材的95％～105％，是一種等強(qiáng)接頭。
文檔編號B23K20/02GK102581467SQ20121004622
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者薛志勇, 黃源珣 申請人:華北電力大學(xué)