一种钛铝基合金和钛合金的异种金属等强度接头连接方法

摘要

本发明公开了属于焊接技术领域的一种钛铝基合金和钛合金的异种金属等强度接头的扩散焊接方法。包括如下步骤：(1)对待焊的钛铝基合金进行焊前热处理，热处理温度为1330～1360℃，保温10～40min；(2)将待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套内，防止钛合金非焊接接触面在高温下发生塑性变形。(3)在850～930℃，70～80MPa的条件下，对钛合金和钛铝基合金进行扩散焊接。本发明获得的接头在常温下抗拉强度为460～490MPa，达到了钛铝基合金母材的100％～110％；400℃抗拉强度为480～510MPa，达到了钛铝基合金母材的95％～105％，是一种等强接头。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种钛铝基合金和钛合金(TC4)的异种金 属等强度接头的扩散焊接方法。

背景技术

航空航天工业的迅速发展，对结构材料的要求，特别是对高温强度和热稳定 性的要求越来越高。TiAl合金具有优良的比强度、比刚度和高温抗氧化性能，比 重仅为3.8g/cm³，远远低于现今使用的比重为8.3g/cm³的Ni基高温合金，因此 钛铝合金在飞机涡轮、汽车发动机、火箭推进系统等方面成为可替代Ti合金和 Ni基高温合金的候选材料之一。随着航天工业的快速发展，TiAl基合金已经逐 渐显示出其低密度、高熔点、良好的高温强度以及出色的抗氧化、抗蠕变和抗疲 劳性能的优点，可大大降低航天发动机、飞行器的重量，提高发动机的推重比。 该种材料引起科研单位和专家们的重视，并可能成为具有发展前景的航天材料。 但同时TiAl合金的室温塑韧性较低，室温加工性能较差，一直限制了其在实际 生产中的应用。近些年来对TiAl合金进行了大量研究，通过合金化和显微组织 控制，使TiAl合金的室温塑韧性有了较大改善，使其逐步走向实用，目前TiAl合 金已应用在喷气发动机的低压涡轮叶片及内燃机的排气阀上。

在该合金的实用过程中，必然会遇到连接问题，其中包括与异类合金(如与 高温合金、Ti合金)的连接。探索该合金与其它金属的连接方法，对促进该合金 的实用化、扩大其适用范围以及发挥其性能优势等具有重要意义。采用扩散连接 技术，因无需研制特殊焊剂，可以迅速实现复杂大面积零件的连接，对该材料的 迅速应用将起到重要的推动作用。

异种合金间的连接技术一直是国内外学术界和工业界共同关注的热点前沿 课题，特别是对新材料与它种材料的固态连接技术更是研究工作者所关注的重 点。与同种合金的固态连接不同，由于异种合金间性能，特别是高温性能的差异， 增大了连接工艺参量选择及工艺实施的难度。尤其对于高温组织及性能差异较大 的材料，连接温度的选择与保证不同材料的组织和性能之间往往存在矛盾。例如， 采用热等静压扩散连接TiAl基合金与不锈钢，选择较低连接温度将大幅度地延 长连接时间，提高连接温度则导致钢中组织转变。但在同种合金固态连接中具有 降低连接温度、缩短连接时间的扩散连接技术，却因异种合金高温性能的差异而 无法应用。

近年来，在TiAl基合金与它种合金的连接研究方面，目前已见诸报导的有 TiAl基合金与钛合金的热等静压扩散连接，TiAl基合金与结构钢的扩散连接等。 文献《Difusion bonding of titanium-titanium alumi-nide-alumina sandwich》 (H.A.Wickman，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 了钛合金/TiAl基复合材料/Al₂O₃陶瓷三层结构的真空扩散连接行为。三层结构都 获得良好连接的温度和时间组配为1573K/3.6ks、1523K/36ks和1473K/360ks。 但是，由于连接温度过高，Ti合金发生β相变，严重影响到钛合金母材的塑性指 标。在1373K/360ks的连接条件下，在钛合金/TiAl基复合材料的界面处，形成 了γ+α2全层片组织区、富Al的α相区和Ti-B化合物区，而且钛合金母材因发 生了再结晶而使晶粒明显粗化。文献《Tensile and creep properties of diffusion  bonded titanium alloy IMI 834to gamma titanium aluminide IHI alloy 01A》(M. Holmquist，V.Recina，B.Pettersson.Acta mater.，2005，47(6)：1791-1799)报道M. Holmquist等人在连接温度1173K，1213K，1253K，连接时间1h，连接压力200MPa 条件下进行了TiAl基合金与钛合金的热等静压扩散连接，其接头性能测试表明， 1253K连接性能最高，接头室温抗拉强度和延伸率与TiAl基合金母材相似，断 裂大部分发生在连接接口处，由于接头处生成了脆性的金属间化合物Ti₃Al相， 断口十分平坦，呈现脆性断口特征。有必要指出的是，Ti合金母材在1213K连 接条件下发生了晶粒粗化和部分组织的β转变，1253K下则完全发生了β转变， 带来了母材整体性能的下降。目前，TiAl基合金与其它材料的扩散连接技术有以 下特点：连接温度过高，连接时间长，不仅存在着工艺成本高，对设备的要求高 等缺点，并且带来了母材组织的改变与性能的下降，限制了该技术的实际应用。

发明内容

本发明提出一种具有实用性，并且能够满足钛铝基合金的焊接，以及拓宽钛 铝基合金应用范围的一种钛铝基合金和钛合金(TC4)的异种金属等强度接头的 扩散焊接方法。

一种钛铝基合金和钛合金的异种金属接头扩散焊接方法，该方法如下：

(1)对钛铝基合金进行焊前热处理，热处理的条件为真空环境下，在温度 1330～1360℃保温10～40min，随炉冷却；

(2)对待焊钛合金和经过热处理的钛铝基合金表面进行清理；

(3)将待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套中，所述保护套用于使待焊试件 在扩散焊接时非焊接面不发生变形；

(4)在温度为850～930℃，焊接压力为70～80MPa的条件下，对钛合金和钛 铝基合金进行扩散焊接，时间根据焊件尺寸而定，以焊件焊透为基准。

步骤(1)中所述的焊前热处理优选温度为1355℃，热处理的优选保温时间 为30min。

步骤(4)扩散焊接的优选条件为：温度为900℃，焊接压力为80MPa。

所述钛合金为TC4钛合金。

所述保护套通常由不锈钢材料制成。保护套根据待焊试件尺寸制作，当待焊 钛铝基合金与钛合金均呈圆棒状时，保护套可采用不锈钢管，其内径与待焊试件 的直径相同，且长度大于待焊TiAl基合金棒与钛合金棒的长度之和。

步骤(2)中对母材表面的清理采用物理清理、化学清理或者先物理清理后化 学清理。

所述物理清理是用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光，然 后将母材放入丙酮溶液中用超声波清洗。

所述化学清理是根据母材的不同而配置相应的腐蚀液来去除母材表面的吸附 层、杂质或氧化膜。

扩散焊接完毕后，可对其进行焊后退火处理，目的为去除残余应力。退火温 度优选860℃，时间根据焊件大小而定。

本发明的有益效果为：

本发明通过在预连接TiAl基合金与TC4合金外侧加保护套可以很大程度上 减轻TC4合金在900℃下处于超塑性状态进行扩散焊接极易发生的非连接面塑性 变形，保证了扩散连接实验的顺利进行，并获得良好的连接效果。

利用本发明得到的接头两侧元素得到了充分的扩散，达到冶金结合的效果； 部分焊件TC4侧接头断口上出现了从TiAl基合金基体上撕裂下来的TiAl片层组 织，表明了局部接头的强度高于TiAl基合金基体的强度；部分接头试样的抗拉 强度超过了TiAl基合金基体的抗拉强度。

附图说明：

图1为TiAl基合金与TC4合金进行扩散焊接的模型；

图2为接头中元素扩散情况的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

钛铝基合金和钛合金(TC4)的异种金属等强度接头扩散焊接方法是：

(1)对待焊的钛铝基合金进行焊前热处理，热处理条件为真空环境下，在 温度为1355℃保温30min，随炉冷却。

(2)对待焊的母材表面进行清理：先用200#、400#、600#、800#、1000# 金相砂纸逐级磨光，然后将母材放入丙酮溶液用超声波清洗。

(3)待焊钛铝基合金与钛合金均为长30mm的小棒，根据待焊试 件尺寸制作外径内径长70mm的不锈钢管作为保护套，将待焊钛 铝基合金和钛合金(TC4)置于其中，以防止其非焊接接触面在高温下发生塑性 变形。

(4)在温度为900℃、焊接压力为80MPa的焊接参数下，以氩气为保护气 体，对钛合金(TC4)和钛铝基合金进行扩散焊接，保持一小时。

(5)焊接完毕，取出焊接试件，随后对其进行焊后退火处理，退火温度为 860℃，时间为半小时。

图1为TiAl基合金与TC4合金进行扩散焊接的模型，待焊TiAl基合金棒与 TC4合金棒位于不锈钢保护套中央，保护套两端各有一根长40mm的 不锈钢棒伸入保护套中，不锈钢棒的外端用夹头夹住，通过不锈钢棒向中间施力 挤压待焊试件。扩散焊接时在待焊试件两侧通电，金属横截面积越小，电阻越大， 同样电流下，温度则越高，在试件加热的中间部位有一段均匀加热区。图1所示 使用不锈钢保护套，保证了TC4合金在900℃时达到了超塑性状态下在非焊接面 上不会发生明显变形。

图2为接头元素的扩散情况，可以看出左侧的TiAl与右侧的TC4达到了良 好的冶金结合，焊缝组织比较致密。图中显示了Al、Nb、Ti、V、Cr等元素在 两种合金之间的扩散情况。中间偏上的横线为线扫描的轨迹，由上到下的强度波 形分别代表了Al、Nb、Ti、V、Cr五种元素线扫描的结果。可以看出TiAl侧中 的Al、Cr、Nb在向TC4侧扩散，TC4侧的Ti、V也在向TiAl侧扩散。元素间 的相互扩散促进了两种不同材料的结合。

按以上步骤实施例获得的钛铝基合金/钛合金(TC4)接头在常温下抗拉强度 为460～490MPa，达到了钛铝基合金母材的100％～110％；400℃抗拉强度为 480～510MPa，达到了钛铝基合金母材的95％～105％，是一种等强接头。