CN100436029C

CN100436029C - 一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法

Info

Publication number: CN100436029C
Application number: CNB2006100689575A
Authority: CN
Inventors: 王娟; 李亚江; 夏春智; 张永兰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: CN1943956A

Abstract

一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，属于材料加工技术领域。步骤包括(1)钛金属表面助镀处理，(2)钛金属表面浸渗铝处理，(3)浸渗铝后的钛金属表面再洁净处理，(4)待连接的铝金属表面洁净处理，(5)叠合钛与铝装配连接件，(6)真空扩散连接等步骤组成。本发明的钛与铝连接方法具有操作简便、成本低、连接效果好(Ti/Al接头剪切强度达24MPa)、便于推广应用等优点，为钛与铝异种有色金属的连接又提供了一条新的途径。

Description

一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法

技术领域

本发明涉及一种异种金属间的扩散连接方法，尤其涉及一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

钛及其合金具有线膨胀系数和弹性模量小、耐腐蚀性强等特性，其应用范围涉及航空航天、通讯、化工、能源、船舶、汽车等许多领域，其中以在航空航天领域应用最多。铝合金由于具有比强度高、密度小、塑性好等优点已成为飞机制造、通讯、船舶和汽车生产中主要的结构材料。

由于钛、铝及其合金的广泛应用以及对某些特殊性能零部件的要求，有必要将钛与铝进行连接，形成稳定性好、耐高温和具有较高强度的复合结构件，以充分发挥钛、铝及其合金的特性潜力，扩大其在航空航天等领域中的应用。但是，钛和铝在常温下的相互溶解度极低，熔点和线膨胀系数相差很大，如果采用常规的连接方法，会因铝的过渡熔化而在钛/铝结合界面上形成大量呈层状分布的硬而脆的金属间化合物，如TiAl、Ti₃Al、TiAl₃等，引起界面应力集中，当受到应力或冲击时在结合界面易发生脆断。而且由于钛、铝及其合金在高温下极易氧化和受大气的污染，采用常规方法连接后钛/铝焊接接头的力学性能明显下降，直接影响钛/铝异种金属复合结构件在航空航天领域的应用。

现有的连接钛与铝及其合金的方法是用含Sn、Ga或Mg的Al-11.5Si共晶合金作为钎料进行真空钎焊或扩散连接。采用真空钎焊方法连接钛与铝及其合金时需要严格控制Al-11.5Si共晶合金钎料的成分；扩散连接钛与铝及其合金时，由于铝表面容易生成氧化物阻碍原子的充分扩散，需要采取一些特殊和严格的工艺措施，否则，在结合界面易生成不利于扩散连接的氧化物或金属间化合物，降低接头的结合强度。

发明内容

针对现有技术中真空钎焊和现有扩散焊技术连接钛/铝异种有色金属的不足，本发明要解决的问题是，提出一种在不采用钎料和中间层的情况下连接钛/铝异种金属的真空扩散焊工艺，以获得具有较高结合强度的Ti/A扩散连接接头。本发明的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法具有操作方便、成本低、便于推广应用等优点，适用于钛及钛合金与铝及铝合金的连接。

本发明的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，由下述步骤组成：

(1)钛金属表面助镀处理：先对钛金属表面进行机械加工或用细金相砂纸打磨，然后用酒精、清水冲洗，之后将钛金属浸入助镀溶液中处理10min～20min；

(2)钛金属表面浸渗铝处理：将助镀处理后的钛金属在680℃～720℃温度条件下放入渗铝熔液中，对钛金属表层进行热浸铝，浸铝时间为20min～30min，渗铝层厚度控制在50μm～100μm范围内；

(3)浸渗铝后的钛金属表面再处理：对渗铝后的钛金属表面进行加工或打磨平整，扩散连接前置稀氢氟酸溶液中清洗2min～5min，然后清水冲洗、丙酮清洗至完全洁净后，干燥，待用；

(4)待连接的铝金属表面处理：对待连接的铝金属表面进行机械加工，以保证被连接工件的上、下表面平行，光洁度6级，然后用细金相砂纸打磨，酒精、清水清洗后，置于稀氢氟酸溶液中清洗2min～5min，以去除待连接表面的氧化物和有机物膜层，然后清水冲洗、丙酮清洗至完全洁净后，干燥，待用；

(5)叠合装配连接件：将上述处理后待用的连接工件置于真空室中，叠合装配并用上、下压头固定，压紧；

(6)真空扩散连接：以工艺参数为：加热温度560℃～620℃，保温时间40min～70min，连接压力5MPa～16MPa，真空度1.33×10^-5Pa的条件对连接工件进行扩散连接，保温时间结束后通过水循环和填充氮气使真空室快速冷却，待真空室温度冷却至100℃以下时，即可开炉取出连接件。

上述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法中，所述助镀溶液是指在质量百分比浓度为30％～35％的HCl水溶液中加入质量百分比为0.2％～1.0％的Zn的溶液。

上述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法中，所述助镀溶液中处理时间优选为15min～20min。

上述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法中，所述渗铝熔液的配比为：以质量百分比计：92％～94％工业纯铝，2％～4％Fe(铸铁碎屑)，2％～5％Si，0.1％～0.5％Re(稀土)。所述渗铝熔液的配制及应用方法是：称取所述质量百分比的组分，混匀，置于井式电炉的坩锅中，升温至680℃～720℃，使物料完全熔化，即可用于对钛金属表层进行热浸铝。

本发明的技术要点在于扩散连接前先在待连接钛金属表面液浸渗一层铝，使钛与渗铝层充分冶金结合，形成致密的液浸渗铝层，然后再与铝及其合金进行真空扩散连接。这种连接工艺的特点：一是可以避免连接时钛与铝在界面处直接接触，由于两者的熔点和线膨胀系数相差很大，铝的过量熔化易导致界面附近应力集中；二是钛金属表面形成的渗铝层可以起到钛与铝真空扩散连接中间过渡层的作用，促进钛与铝的相互扩散结合、有利于钛/铝扩散接头的形成，提高接头的力学性能。

钛金属表面渗铝层的厚度和均匀性是实现钛与铝真空扩散连接的关键。因此，液浸渗铝时应严格控制浸铝温度和时间，液浸铝温度越高，时间越长，钛表面形成的浸铝层越均匀，厚度越大。但为了保证钛基体金属的性能以及后续扩散连接时界面两侧Ti、Al原子能够充分扩散，渗铝层厚度应控制在50μm～100μm范围以内。渗铝层最好是均匀的，厚度最好为60μm～80μm。渗铝层太厚可能形成脆性的Ti-Al金属间化合物，导致产生微裂纹和削弱扩散接头的性能。

扩散连接时的加热温度和保温时间也影响接头的组织性能。连接温度过低，原子扩散不充分或扩散反应活性过低而使接头性能降低；连接温度过高，形成的脆性金属间化合物较多对接头组织性能不利。试验表明：连接温度560℃～620℃对钛/铝扩散连接是适宜的。保温时间过短，钛与铝之间的扩散反应时间较短而降低接头强度；过长则会导致界面附近金属间化合物过多也会降低接头强度。相对优选的连接加热温度为580℃～600℃。钛/铝扩散焊的保温时间以40min～70min为宜，相对优选的保温时间为50min～60min。

钛/铝焊件扩散连接加热前，先启动机械泵将真空室抽真空至1.33×10^-3Pa，然后启动扩散泵使真空室的真空度达1.33×10^-5Pa后再开始加热。待真空室温度加热到520℃时，可逐渐对工件施加压力，加热温度为560℃～620℃时，连接压力以5MPa～16MPa为宜。相对优选的连接压力8MPa～13MPa。

本发明整个钛/铝异种有色金属扩散焊过程中，通过计算机编制程序精确控制连接温度、保温时间、压力和真空度，通过氮气控制一系列的气动阀门。通过精确控制扩散焊的工艺参数使钛、铝金属界面处于局部塑变状态，在施加压力和保温阶段使钛与铝在界面处发生扩散结合，形成组织性能优良的钛/铝扩散焊接头。

本发明的突出特点体现在不采用钎料和中间层的情况下，采用先在钛金属表面液浸渗铝的方法，在钛金属表面获得厚度50μm～100μm的渗铝层，然后再将钛与铝异种金属成功地扩散连接在一起。这种工艺方法具有操作简便、成本低、连接效果好(Ti/Al接头剪切强度达24MPa)、便于推广应用等优点，为钛与铝异种有色金属的连接开创了新的途径。

具体实施方式

实施例1：

工业纯钛TA2和工业纯铝1035冷轧板材，试样尺寸均为50mm×50mm×3mm。纯钛TA2与纯铝1035异种金属扩散连接的工艺要点如下：

1)将纯钛TA2表面进行打磨和洁净处理后，浸入助镀溶液中，助镀溶液的组成为：在浓度32％的HCl水溶液中加入0.4％Zn，助镀时间为15min。

2)将助镀后的钛板浸入700℃～720℃铝熔液中，铝熔液由92％～93％工业纯铝，2.5％～3.8％铸铁碎屑，4％Si，0.2％Re组成，热浸铝时间为25min，在纯钛TA2表面形成一层厚度为60μm～80μm的渗铝层。

3)将渗铝后的钛板用清水、酒精清洗，在稀氢氟酸溶液中浸泡5min、水洗、丙酮清洗、吹干。工业纯铝1035板用细砂纸打磨其表面，然后用清水、酒精冲洗，在稀氢氟酸溶液中浸泡5min后清水冲洗、丙酮清洗、吹干。

4)将表面处理后的纯钛TA2与纯铝1035叠合置于扩散焊设备的真空室中，用上、下压头压紧。当真空室中的真空度达1.33×10^-5Pa时，启动加热进行扩散连接。工艺参数为：加热温度580℃，保温时间60min，连接压力10MPa，真空度1.33×10^-5Pa。

5)保温时间结束后通过水循环和填充氮气使真空室快速冷却，待真空室冷却至100℃以下时打开炉门取出连接件。得到的纯钛TA2和纯铝1035异种金属连接接头的剪切强度为22MPa。

实施例2：

纯钛与3A21铝合金蜂窝状结构(类似莲藕断面)的扩散连接。试样尺寸为：纯钛直径60mm，厚度20mm；3A21铝合金直径60mm，厚度40mm。具体的扩散连接工艺步骤如下：

1)对钛金属和3A21铝合金待连接表面进行机械加工和打磨处理，将纯钛件浸入助镀溶液中。助镀溶液组成为：在浓度33％的HCl水溶液中加入0.6％Zn，助镀时间为18min～20min。

2)将助镀后的纯钛件浸入700℃～720℃铝熔液中，铝熔液由92％～93％工业纯铝，2.8％～3.8％铸铁碎屑，4％Si，0.2％Re组成，热浸铝时间为25min，在纯钛表面形成一层厚度为70μm～80μm的渗铝层。

3)将渗铝后的纯钛件用清水、酒精清洗，在稀氢氟酸溶液中浸泡5min、水洗、丙酮清洗、吹干。3A21铝合金用细砂纸打磨其表面，然后用清水、酒精冲洗，在稀氢氟酸溶液中浸泡5min后清水冲洗、丙酮清洗、吹干。

4)将表面处理后的蜂窝状结构的纯钛和3A21铝合金叠合置于扩散焊设备的真空室中，用上、下压头压紧。当真空室中的真空度达1.33×10^-5Pa时，启动加热进行扩散连接。扩散连接的工艺参数为：加热温度580℃～600℃，保温时间60min～70min，连接压力6MPa～10MPa，真空度1.33×10^-5Pa。

5)保温时间完成后通过水循环和填充氮气使真空室快速冷却，待真空室冷却至100℃以下时打开炉门取出连接件。得到的纯钛与3A21铝合金扩散焊接头的剪切强度为24MPa。

Claims

1.一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，由下述步骤组成：

(1)钛金属表面助镀处理：先对钛金属表面用细金相砂纸打磨，然后用酒精、清水冲洗，之后将钛金属浸入助镀溶液中处理10min～20min；

(2)钛金属表面浸渗铝处理：将助镀处理后的钛金属放入680℃～720℃的渗铝熔液中，对钛金属表层进行热浸铝，浸铝时间为20min～30min，渗铝层厚度控制在50μm～100μm范围内；

(3)浸渗铝后的钛金属表面再处理：对渗铝后的钛金属表面打磨平整，扩散连接前置稀氢氟酸溶液中清洗2min～5min，然后清水冲洗、丙酮清洗至完全洁净后，干燥，待用；

(6)真空扩散连接：以工艺参数为：加热温度560℃～620℃，保温时间40min～70min，连接压力5MPa～16MPa，真空度1.33×10^-5Pa的条件对连接工件进行扩散连接，保温时间结束后通过水循环和填充氮气使真空室快速冷却，待真空室温度冷却至100℃以下时，即可开炉取出连接件；

上述助镀溶液是指在质量百分比浓度为30％～35％的HCl水溶液中加入质量百分比为0.2％～1.0％的Zn的溶液；

上述渗铝熔液的配比为：以质量百分比计：92％～94％工业纯铝，2％～4％Fe，2％～5％Si，0.1％～0.5％Re。

2.如权利要求1所述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，其特征是，所述助镀溶液处理时间为15min～20min。

3.如权利要求1所述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，其特征是，所述渗铝熔液的配制及应用方法是：称取所述质量百分比的组分，混匀，置于井式电炉的坩锅中，升温至680℃～720℃，使物料完全熔化，即可用于对钛金属表层进行热浸铝。

4.如权利要求1所述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，其特征是，所述渗铝层是均匀的，厚度为60μm～80μm。

5.如权利要求1所述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，其特征是，步骤(6)所述加热温度为580℃～600℃。

6.如权利要求1所述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，其特征是，步骤(6)所述保温时间为50min～60min。

7.如权利要求1所述的钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，其特征是，步骤(6)所述连接压力8MPa～13MPa。