表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法

摘要

本发明涉及一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法。其包括：将TC17合金放入喷丸室中对TC17合金表面进行喷丸处理的步骤，然后放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，用吹风机吹干备用的步骤，进一步，采用SiC水砂纸对TC4合金打磨的步骤；然后，将打磨后的TC4合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15‑25min后，用吹风机吹干备用的步骤；将所述TC17合金的喷丸面与TC4合金研磨表面紧密贴合在一起，并置入热模拟试验机中，抽取真空并保持恒温加压10‑30min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件空冷至室温的步骤。本方法使TC17合金表层为固态连接界面处的原子扩散提供更多的扩散通道，促进异质钛合金连接接头的冶金结合，进而获得高性能表层自纳米化TC17合金与TC4合金接头。

说明书

技术领域

本发明涉及异质钛合金固态连接领域，具体为一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法。

背景技术

现代航空、航天领域要求高端装备实现高可靠性、低能耗及功能高效性，采用高性能轻质材料制造复杂结构件，可实现装备关键构件的轻量化，满足装备减重、提高装备性能的要求。钛合金是一种高性能轻质合金，其综合性能优异而广泛应用于航空领域，通过异质钛合金的有效连接能够充分利用不同钛合金的特性，满足构件不同区域的服役要求，进而获得优异的整体性能。

固态连接技术是指在高温和一定压力下，两个相互接触的表面通过原子扩散形成牢固接头的先进连接方法。钛合金的固态连接技术能够实现大型复杂结构件的整体连接，在航空领域关键构件的制造中得到了广泛应用。文献1“X.Wang,M.Ma,X.Liu,J.Lin,Interface characteristics in diffusion bonding of aγ-TiAl alloy to Ti-6Al-4V.Journal of Materials Science,2007,42:4004–4008.”公开了一种γ-TiAl与TC4合金的固态连接方法，在连接温度800～900℃、压力100MPa、时间2h的条件下获得了高质量固态连接接头。文献2“S.J.Tuppen,M.R.Bache,W.E.Voice.A fatigue assessment ofdissimilar titanium alloy diffusion bonds.International Journal of Fatigue,2005,27:651-658.”公开了一种TC4合金/Ti550异质钛合金的固态连接方法，在连接温度915℃、连接压力140MPa、连接时间4h时获得了拉伸强度接近TC4合金母材的连接接头。

在上述异质钛合金固态连接方法中，获得高性能连接接头需要的连接时间较长，这就会导致钛合金基体组织粗化，影响异质钛合金连接件的整体性能。另一方面，较长的连接时间使得生产能耗升高、制造周期过长，不利于固态连接工艺的工程化应用。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种实现异质钛合金有效连接，获得了高性能表层自纳米化TC17合金与TC4合金接头，且连接接头性能优良，且有效节省连接时间的表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：

(1)将TC17合金放入喷丸室中，并调整喷枪距TC17合金250-350mm，采用直径尺寸为0.5-0.7mm的铸钢弹丸对TC17合金表面进行喷丸处理；

(2)将喷丸处理后的TC17合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-25min后，用吹风机吹干备用；

(3)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸对所述TC4合金进行逐级打磨；然后，将打磨后的TC4合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-25min后，用吹风机吹干备用；

(4)将所述TC17合金的喷丸面与TC4合金研磨表面紧密贴合在一起，并置入热模拟试验机中，抽取真空；

(5)当真空度达到5×10^-3Pa-5×10^-1Pa时，先以4-6℃·s-1的速率升温至650-720℃后，再以1-3℃·s^-1的速率升温至750-820℃，保温3-5min使得试件受热均匀，然后设定连接压力为15-25MPa，保持恒温加压10-30min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件空冷至室温。

进一步的，所述步骤(1)中所述喷丸处理的空气压力为0.25-0.45MPa，喷丸时间为20-60min。

进一步的，所述的步骤(1)之后还包括将喷丸处理后的TC17合金加工成连接试件的步骤，并留有TC17合金的喷丸面；同时，所述步骤(2)之后还包括将TC4合金也加工成连接试件的步骤，之后进行所述TC4合金试件进行逐级打磨。

进一步的，所述的TC17合金连接试件的加工成尺寸为Ф8-14mm×6-10.5mm，是在Ф8-14mm的圆形连接试件面上保留有TC17合金的喷丸面。

进一步的，所述TC4合金连接试件的加工成尺寸为Ф8-14mm×6-10.5mm，此时所述Ф8-14mm的圆形连接试件面为TC4合金研磨表面。

进一步的，所述步骤(4)中的热模拟试验机的型号为美国DSI公司生产的Gleeble-3500。

本发明具有以下有益的技术效果：本方法对TC17合金进行喷丸处理，获得表层纳米晶TC17合金，并与TC4合金固态连接，TC17合金表层纳米结构可以为固态连接界面处的原子扩散提供更多的扩散通道，促进异质钛合金连接接头的冶金结合，进而获得高性能表层自纳米化TC17合金与TC4合金接头。经测试，利用本方法得到的连接接头组织致密无缺陷，接头的室温剪切强度为672～789MPa，达到了TC4合金母材室温剪切强度(720MPa)的93％～110％。同时，恒温恒压时间即为连接时间由4h缩短至10-30min。

附图说明

图1为本发明实施例2中TC17合金连接试件的取样示意图；

图2为本发明实施例2中TC17合金与TC4合金连接试件的装配示意图；

图3为本发明方法中固态连接前TC17合金与TC4合金微观组织照片，其中图3(a)为供应态TC17合金光镜照片；图3(b)为供应态TC4合金光镜照片；

图4为本发明方法中表面喷丸处理后TC17合金微观组织照片，其中图4(a)为表面喷丸处理后纵截面扫描电镜照片；图4(b)为表面喷丸处理后TC17合金最表层透射电镜选区电子衍射照片；

图5为本发明方法实施例2得到的表层自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接接头扫描电镜照片；

图6为本发明方法实施例3得到的表层自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接接头扫描电镜照片；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

下面给出具体的实施例。

实施例1：一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：

(1)将TC17合金放入喷丸室中，并调整喷枪距TC17合金250-350mm，采用直径尺寸为0.5-0.7mm的铸钢弹丸对TC17合金表面进行喷丸处理；所述喷丸处理的空气压力为0.25-0.45MPa，喷丸时间为20-60min；

(2)将喷丸处理后的TC17合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-25min后，用吹风机吹干备用；

(3)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸对所述TC4合金进行逐级打磨；然后，将打磨后的TC4合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-25min后，用吹风机吹干备用；

(4)将所述TC17合金的喷丸面与TC4合金研磨表面紧密贴合在一起，并置入热模拟试验机中，抽取真空；

(5)当真空度达到5×10^-3Pa-5×10^-1Pa时，先以4-6℃·s-1的速率升温至650-720℃后，再以1-3℃·s^-1的速率升温至750-820℃，保温3-5min使得试件受热均匀，然后设定连接压力为15-25MPa，保持恒温加压10-30min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件空冷至室温。

实施例2：与实施例1相同，不同的是：本实施例的具体包括以下步骤：

(1)将TC17合金放入喷丸室中，并调整喷枪距TC17合金300mm，采用尺寸为Ф0.6mm的铸钢弹丸对TC17合金表面进行喷丸处理，具体喷丸工艺参数为：空气压力为0.45MPa，喷丸时间为60min；

(2)将喷丸处理后的TC17合金加工成连接试件：在图1中展示了一种长方体TC17合金，在此合金上加工连接试件，具体的是沿长方体TC17合金中心线加工了尺寸为Ф10mm×7.5mm的圆柱体TC17合金连接试件；是在Ф10mm的圆形连接试件面上保留有TC17合金的喷丸面；

(3)将TC17合金连接试件放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为20min，最后用吹风机吹干备用；

(4)将TC4合金也加工成连接试件：具体的是将TC4合金加工成尺寸为Ф10mm×7.5mm的TC4合金连接试件；此时所述Ф10mm的圆形连接试件面为TC4合金研磨表面；

(5)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#SiC水砂纸对所述TC4合金研磨表面进行逐级打磨；然后将TC4合金连接试件放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为20min，最后用吹风机吹干备用；

(6)如图2所示，将所述TC17合金的喷丸面(A面)与TC4合金研磨表面(B面)紧密贴合在一起，并置入Gleeble-3500型热模拟试验机中，抽取真空；

(7)当真空度达到5×10^-3Pa时，以5℃·s^-1的速率升温至680℃后，以2℃·s^-1的速率升温至780℃，保温5min使得试件受热均匀，然后设定连接压力为20MPa，恒温加压20min，最后卸压降温，使连接试件空冷至室温。

由图3可以看出TC4合金微观组织由等轴初生α晶粒和少量的β相组成，由图4可以看出，喷丸处理后TC17合金最表层选区电子衍射斑点呈连续环状，说明喷丸处理后TC17合金实现了表层自纳米化。按照上述实施例步骤可以实现表层自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接。由图5可以看出，连接接头结合良好，接头组织致密无明显缺陷。经检测，连接接头的室温剪切强度为672MPa，接头室温剪切强度为TC4合金母材室温剪切强度(720MPa)的93％，接头性能良好。

实施例3：与实施例2相同，不同的是：步骤(7)中是以2℃·s-1的速率升温至820℃。

按照上述实施例步骤可以实现表层自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接。由图6可以看出，连接接头结合良好，接头组织致密无明显缺陷。经检测，连接接头的室温剪切强度为789MPa，高于TC4合金母材室温剪切强度(720MPa)。

实施例4：与实施例1相同，不同的是：一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：

(1)将TC17合金放入喷丸室中，并调整喷枪距TC17合金250mm，采用尺寸为Ф0.5mm的铸钢弹丸对TC17合金表面进行喷丸处理；所述喷丸处理的空气压力为0.25MPa，喷丸时间为20min；

(2)将喷丸处理后的TC17合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15min后，用吹风机吹干备用；

(3)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸对所述TC4合金进行逐级打磨；然后，将打磨后的TC4合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15min后，用吹风机吹干备用；

(4)将所述TC17合金的喷丸面与TC4合金研磨表面紧密贴合在一起，并置入热模拟试验机中，抽取真空；

(5)当真空度达到5×10^-3Pa时，先以4℃·s-1的速率升温至650℃后，再以1℃·s^-1的速率升温至750℃，保温5min使得试件受热均匀，然后设定连接压力为15MPa，保持恒温加压30min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件空冷至室温。

实施例5：与实施例1相同，不同的是：一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：

(1)将TC17合金放入喷丸室中，并调整喷枪距TC17合金300mm，采用直径尺寸为0.6mm的铸钢弹丸对TC17合金表面进行喷丸处理；所述喷丸处理的空气压力为0.35MPa，喷丸时间为35min；

(2)将喷丸处理后的TC17合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗20min后，用吹风机吹干备用；

(3)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸对所述TC4合金进行逐级打磨；然后，将打磨后的TC4合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗20min后，用吹风机吹干备用；

(4)将所述TC17合金的喷丸面与TC4合金研磨表面紧密贴合在一起，并置入热模拟试验机中，抽取真空；

(5)当真空度达到5×10^-2Pa时，先以5℃·s-1的速率升温至690℃后，再以2℃·s^-1的速率升温至790℃，保温4min使得试件受热均匀，然后设定连接压力为20MPa，保持恒温加压20min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件空冷至室温。

实施例6：与实施例1相同，不同的是：一种表面自纳米化TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：

(1)将TC17合金放入喷丸室中，并调整喷枪距TC17合金350mm，采用直径尺寸为0.7mm的铸钢弹丸对TC17合金表面进行喷丸处理；所述喷丸处理的空气压力为0.45MPa，喷丸时间为60min；

(2)将喷丸处理后的TC17合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗25min后，用吹风机吹干备用；

(3)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸对所述TC4合金进行逐级打磨；然后，将打磨后的TC4合金放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗25min后，用吹风机吹干备用；

(4)将所述TC17合金的喷丸面与TC4合金研磨表面紧密贴合在一起，并置入热模拟试验机中，抽取真空；

(5)当真空度达到5×10^-1Pa时，先以6℃·s-1的速率升温至720℃后，再以3℃·s^-1的速率升温至820℃，保温3min使得试件受热均匀，然后设定连接压力为25MPa，保持恒温加压10min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件空冷至室温。

实施例7：与实施例2相同，不同的是：

所述步骤(2)中将喷丸处理后的TC17合金加工成连接试件，所述的TC17合金连接试件的加工成尺寸为Ф8mm×6mm，是在Ф8mm的圆形连接试件面上保留有TC17合金的喷丸面。同时，步骤(4)中将TC4合金也加工成连接试件，所述TC4合金连接试件的加工成尺寸为Ф8mm×6mm，此时所述Ф8mm的圆形连接试件面为TC4合金研磨表面。

实施例8：与实施例2相同，不同的是：

所述步骤(2)中将喷丸处理后的TC17合金加工成连接试件，所述的TC17合金连接试件的加工成尺寸为Ф14mm×10.5mm，是在14mm的圆形连接试件面上保留有TC17合金的喷丸面。同时，步骤(4)中将TC4合金也加工成连接试件，所述TC4合金连接试件的加工成尺寸为Ф14mm×10.5mm，此时所述Ф14mm的圆形连接试件面为TC4合金研磨表面。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。