一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti

摘要

一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti

说明书

技术领域

本发明涉及连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法。

背景技术

TiAl基合金作为一种金属间化合物材料，具有高比强度和高比弹性模量，在高温时 仍可以保持足够高的强度和刚度，同时具有良好的抗蠕变及抗氧化性能。因此，TiAl基 合金的发展一直受到世界各国研究者的关注和重视，成为航空航天领域极具竞争力的材 料，具有重要的工程化应用前景。

TiAl基合金的实际应用必然涉及到自身及与其他构件的连接。国内为研究者已对TiAl 基合金的连接问题开展了一系列的研究工作。目前，关于TiAl基合金的连接技术的研究 主要集中在电子束焊、激光焊、自蔓延高温合成反应焊、钎焊和扩散焊等方面。有关熔化 焊的研究表明，TiAl基合金存在两个较为突出的问题：一是具有热裂倾向，二是焊缝区 与经过热机械处理等工艺得到的基体组织不同，表现出较低的力学性能。因此，对于低延 性的TiAl基合金采用熔化焊方法进行连接其焊接性较差，尤其是与异种材料的连接时更 为突出。采用扩散焊等固态连接方法时可以控制热循环，能够设计出复合TiAl基合金特 点的连接工艺参数，从而改善连接质量。

Ti₃AlC₂陶瓷是新型三元层状陶瓷材料的一种，因其具有优异性能成为近年来国内为 众多材料学者研究的热点。它既具有金属的性能，有良好的导热性能和导电性能，有较低 的Viskers硬度，像金属一样可以进行机械加工，同时又具有陶瓷的性能，高熔点，高热 稳定性和良好的抗氧化性能。这些优异性能使其具有广阔的应用前景。

尽管Ti₃AlC₂陶瓷具有上述优越的综合性能，但是制备高纯度、高致密度的块体材料 非常困难，当需要较大尺寸或者复杂形状的Ti₃AlC₂陶瓷构件时，需要通过连接的手段将 较小尺寸及形状简单的Ti₃AlC₂陶瓷实现可靠的连接。另外考虑到Ti₃AlC₂陶瓷的优异性 能，不可避免的需要与其他材料进行连接，以充分发挥其潜在价值。

鉴于TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的综合优异性能，将两种材料连接到一起制备成复合 构件，可以充分发挥两者的性能优势，特别是在航空航天等高温结构零部件制造等方向， 具有极大的应用前景。到目前为止，国内外还没有关于TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷连接的 文献报道。

发明内容

本发明要解决TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷难于连接的问题，而提供一种采用Zr/Ni复 合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法。

一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法，具体是按照 以下步骤完成的：

一、将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷；

二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛 光，再将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗5min～10min；

三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面之间，装配成 TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti₃AlC₂陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为25μm～150μm，Ni 箔的厚度为25μm～150μm；

四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加20MPa～40MPa的压力，当 真空加热炉真空度达到(1.3～2.0)×10^-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min～ 40℃/min，升温至800℃～900℃，然后保温30min～120min，再控制冷却速度为5℃/min～ 10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl 基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法。

本发明步骤三中装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti₃AlC₂陶瓷的结构，使Zr箔位于靠 近TiAl基合金侧，Ni箔位于靠近Ti₃AlC₂陶瓷侧。通过Zr、Ni与TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷中元素的相互反应和扩散，实现了可靠的连接。

本发明的有益效果是：

本发明选用Zr箔与Ni箔作为复合中间层材料，能够实现接头的连接。首先，Ni通过 与TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷中的Ti和Al等反应，形成了化合物，实现了连接，其次， Zr与Ni反应生成Zr-Ni化合物，消耗了一部分的Ni，降低了Ni与其他元素反应生成脆 性的金属间化合物的倾向，从一定程度上提高的接头的力学性能。

本发明采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷，通过控制扩散连 接温度（800～900℃）和保温时间（30～120min），以控制反应层的厚度和接头中反应相 的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的 连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达103.6MPa。

本发明TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的成功连接，将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接 件用于高温结构的航空零部件，能有效提高现有器件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能， 具有极大的应用前景。

本发明用于采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷。

附图说明

图1为实施例一获得的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的接头界面组织结构的背散射电子 照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的 任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和 Ti₃AlC₂陶瓷的方法，具体是按照以下步骤完成的：

一、将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷；

二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛 光，再将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗5min～10min；

三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面之间，装配成 TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti₃AlC₂陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为25_μm～150_μm，Ni 箔的厚度为25μm～150μm；

四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加20MPa～40MPa的压力，当 真空加热炉真空度达到(1.3～2.0)×10^-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min～ 40℃/min，升温至800℃～900℃，然后保温30min～120min，再控制冷却速度为5℃/min～ 10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl 基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法。

本实施方式采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷，通过控制扩 散连接温度（800～900℃）和保温时间（30～120min），以控制反应层的厚度和接头中反 应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达103.6MPa。

本实施方式TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的成功连接，将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的 连接件用于高温结构的航空零部件，能有效提高现有器件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化 性能，具有极大的应用前景。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中Zr箔的厚度为 50μm～100μm，Ni箔的厚度为50μm～100μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中Zr箔的厚 度为80μm，Ni箔的厚度为80μm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中施加30MPa的 压力。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中真空加热炉真空 度达到1.5×10^-3Pa。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中控制升温速度为 30℃/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中升温至850℃。 其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中保温 50min～100min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中保温 60min。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中冷却速度为 8℃/min。其它与具体实施方式一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法，具 体是按照以下步骤完成的：

一、将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷，其中，待连接的TiAl基合金尺寸为20mm×8mm×2mm、Ti₃AlC₂陶瓷尺寸为 4mm×4mm×3mm；

二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛 光，再将TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗8min；

三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的连接面之间，装配成 TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti₃AlC₂陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为80μm，Ni箔的厚度为 80μm；

四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加30MPa的压力，当真空加热 炉真空度达到1.5×10^-3Pa时，通电加热，控制升温速度为30℃/min，升温至850℃，然后 保温60min，再控制冷却速度为8℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用 Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的方法。

本实施例获得的TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的扩散连接接头界面组织结构的背散射电 子照片如图1所示，由图1可以看出，采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺 陷，实现了TiAl基合金和Ti₃AlC₂陶瓷的可靠连接。经测试，接头的室温平均剪切强度达 到103.6MPa。