一种形成金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊方法

摘要

一种形成金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊方法，其方法步骤为：（1）将Ag-Cu焊料预置于TiAl合金待焊接触表面之间，并将待焊试件置于真空钎焊炉中；（2）以0.5-1.0℃/s升温速率升温到600℃-610℃保温30-90s，使试件温度均匀化；（3）以0.5-1.0℃/s速率升温到焊料熔点以上10-20℃保温30s-90s，形成初生金属间化合物薄层；（4）以0.25-0.3℃/s的升温速率继续升温到900-910℃，并保温200-300s，在升温及保温过程初生金属间化合物薄层发生破碎并进入焊缝内部；（5）以0.5-1.0℃/s的降温速率降温到室温，焊缝凝固获得金属间化合物增强颗粒弥散分布的TiAl合金钎焊焊缝。本发明的特点是保温及降温以后将获得金属间化合物增强颗粒弥散分布的TiAl合金钎焊焊缝。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种形成金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊方法。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物，包括g-TiAl、a₂-Ti₃Al和q-TiAl₃等，由于具有比强度高、比刚度大、高温力学性能和抗氧化性能好等优点而被认为是理想的、具有广泛开发应用前景的航空航天、军事以及民用汽车、内燃机车的新型高温结构材料。其中以g-TiAl为基的合金（简称为TiAl合金）比强度和比刚度已经超过了传统高温合金和钛合金。但考虑到成本以及TiAl合金本身塑性相对较差的问题，不宜制成大型或形状复杂的TiAl合金构件，因此为了解决这一问题，需要发展TiAl合金自身以及与其他结构材料的连接技术，其中钎焊技术在TiAl合金连接方面显示出了良好的前景。然而，TiAl合金性质活泼，在钎焊过程中非常容易与焊料发生界面反应在靠近TiAl合金一侧形成厚大的脆性化合物，成片、分层的脆性化合物会降低接头的力学性能。本发明针对TiAl合金钎焊过程中容易出现厚大的边界脆性金属间化合物降低接头力学性能的问题，在进行理论分析的基础上，提出采用有悖于传统钎焊工艺的特殊方法对接头组织演变过程进行控制，获得金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊接头。

根据现有TiAl合金钎焊文献资料来看，一般都是关于接头界面组织的一般性分析文章，或者是组织和接头强度之间关系的分析，而没有对TiAl基合金钎焊接头界面组织、边界反应层进行有目的控制的研究。如果不采用特殊的控制工艺，一般的TiAl合金钎焊接头中，脆硬的金属间化合物反应层一般都是在靠近母材的边界上生成，这种组织结构的接头在受外力作用的时候，非常容易在脆硬的金属间化合物层内部产生脆性破坏。图1所示为台湾的著名学者R.K.Shuie等人采用Ag-Cu共晶钎料对TiAl合金进行钎焊时获得的典型接头界面组织背散射照片，如图中所示Al-Cu-Ti系金属间化合物在钎料和TiAl合金边界生成，钎缝的中部是残余钎料凝固形成的Ag基固溶体组织和Ag-Cu共晶组织。这种接头内部塑性很好，但是两侧是厚度较大连接成片的脆硬的金属间化合物组织，在受到外力作用的时候，内部塑性好的部分一旦发生少量的塑性变形产生塑性硬化，那么在脆硬的边界金属间化合物层内部将很容易产生裂纹，而且裂纹一旦在脆性相内部产生，将在脆性相的内部迅速扩展最终导致接头断裂。

如果能够合理的控制工艺，使边界反应层厚度较小，在钎缝内部生成弥散分布的金属间化合物颗粒、团块儿，如图2所示，那么根据复合相中载荷分布的特点来看，接头的综合力学性能将得到较大提高。

依照Ti-Al系合金与Ag、Cu等元素的二元、三元合金相图，本发明提出一种能够在钎缝的内部生成弥散分布的金属间化合物颗粒的TiAl基合金自身以及与其他结构材料的钎焊方法。采用Ag基钎料，利用在钎焊加热过程中钎料中的Ag可以向TiAl合金母材中扩散并依次与TiAl合金中的TiAl相、Ti3Al相发生作用产生液相，破碎初生的界面金属间化合物层并推向钎缝的内部，形成钎缝内弥散分布金属间化合物颗粒的复合钎缝组织，从而使接头获得较好的综合力学性能。这是一种独特的连接方法，它也将对易形成脆性的界面金属间化合物层的其他同种及异种材料的钎焊提供一种新的思路及实用方法。

经检索，国内外还未见采用特殊钎焊工艺控制从而获得形成弥散的金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊方法。背景技术附图说明：图1 TiAl/BAg-8/TiAl钎焊接头，图2 TiAl合金与某种材料钎焊接头理想模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种形成金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊方法，能够控制性质活泼的TiAl合金钎焊过程中界面金属间化合物的组织形貌，从而控制钎焊接头的力学性能。

本发明是这样实现的，方法为：

（1）将Ag-Cu焊料预置于钛铝合金待焊接触表面；

（2）以0.5-1℃/s升温速率升温到600℃-610℃保温30-90s；

（3）以0.5-1.0℃/s升温速率升温到焊料熔点以上10-20℃(即790-800℃)保温30-90s，形成初生金属间化合物薄层；

（4）以0.25-0.3℃/s升温速率继续升温到900℃-910℃，并保温200-300s；

（5）以0.5-1.0℃/s速率降温到室温。

本发明的技术效果是：是在焊料刚刚超过熔化温度（790℃）以后增加设置了特殊的短时保温时间，有悖于传统的钎焊方法；而传统钎焊方法认为钎料熔化以后只设置一个保温时间，作为钎焊时间。在该特殊的保温温度下TiAl合金与Ag-Cu焊料生成非稳态的“初生”Al-Cu-Ti金属间化合物薄层。继续升温，由于Ag-Cu液态焊料与TiAl合金母材之间相互作用，非稳态的初生金属间化合物薄层会在液态焊料的液体冲击、元素互扩散、温度梯度、浓度梯度等共同作用下会发生破碎，从而使初生的Al-Cu-Ti金属间化合物薄层破碎并进入到焊缝内部。在900℃-910℃保温，这些破碎的初生金属间化合物将作为形核的核心而形成金属间化合物增强颗粒，保温及降温以后将获得金属间化合物增强颗粒弥散分布的TiAl合金钎焊焊缝。

附图说明

图3为本发明特殊工艺曲线图。

图4为采用“形成金属间化合物颗粒增强焊缝的TiAl合金钎焊方法”钎焊的TiAl合金钎焊接头组织界面。照相所用仪器为光学显微镜（奥林巴斯, 型号：XTZ－E ），放大200倍拍摄。

具体实施方式

本发明的钎焊工艺方法步骤如下：

（1）将Ag-Cu焊料预置于钛铝合金待焊接触表面；

（2）以0.5℃/s升温速率升温到600℃保温90s；

（3）以0.5℃/s升温速率升温到795℃保温90s，形成初生金属间化合物薄层；

（4）以0.25℃/s升温速率继续升温到905℃，并保温300s；

（5）以0.5℃/s速率降温到室温。

如图3、图4所示，首次升温速度为0.5-1℃/s,升温到钎料熔化温度以下，即600-610℃进行保温，保温时间30-90s，目的是使待焊工件整体温度均匀。第二次升温速度为0.5-1℃/s，升温到钎料熔化温度以上10-20℃，保温时间30s-90s，目的是在该温度下Ag基焊料与TiAl合金母材发生反应生成初生的金属间化合物。第三次升温速度为0.25-0.3℃/s,升温到900℃-910℃，在该温度下保温200s-300s：第三次升温及保温过程中非稳态的初生金属间化合物薄层在液态焊料的液体冲击、元素扩散、温度梯度、浓度梯度等共同作用下会发生破碎，并且进入到焊缝内部；900℃-910℃保温及随后的降温过程中，这些破碎的初生金属间化合物将作为形核的核心而形成金属间化合物增强颗粒，降温到室温以后将获得金属间化合物增强颗粒弥散分布的TiAl合金钎焊焊缝。