CN101972877B - TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法 - Google Patents
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Abstract
TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，它涉及TiAl基合金与Ni基高温合金的焊接方法。本发明解决了现有的TiAl基合金与Ni基高温合金扩散连接方法的工艺复杂、成本高、连接热循环周期长、效率低及焊件待焊表面要求高、银钎焊的接头不耐高温及高温钎焊的脆性相易生成聚集长大的问题。本方法：将Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面处理后，再将Ti箔片置于TiAl基合金与Ni基高温合金之间，构成待焊件，待焊件在真空钎焊炉中焊接而成。本发明得到的接头抗剪强度达到240MPa～300MPa，800℃高温时的抗剪强度为180MPa～210MPa，可用作高温环境下的航空、航天的热端部件。
Description
技术领域
本发明涉及TiAl基合金与Ni基高温合金的焊接方法。
背景技术
TiAl基合金由于具有低密度、高熔点、良好的高温强度和优异的抗氧化、抗蠕变性能，是航空、航天、军事及民用领域具有广阔应用前景的新型轻质高温结构材料。目前，航空、航天飞行器的热端部件大多采用Ni基高温合金，虽然Ni基高温合金的高温性能优良，但密度大，降低飞行器的工作效率，且增加废气排放量。将TiAl基合金取代部分Ni基高温合金部件应用于航空、航天飞行器可以显著减轻飞行器的重量，增加工作效率。而TiAl基合金与Ni基高温合金的连接问题成为这一应用的关键问题。目前已有这两类合金连接的报道，但主要采用扩散连接的方法。如文献“Diffusion bonding oflaser-surface-modified gamma titanium aluminide alloy to nickel-base casting alloy，Luo GX，Wu GQ，Huang Z，Ruan ZJ.Scripta Materialia 2007，57：521-524”公开了一种超塑性扩散连接γ-TiAl/K148高温合金的方法，该方法采用焊前对γ-TiAl连接表面激光熔敷Ni-Cr-Ti-A1系涂层，而后进行扩散连接。采用这一方法，接头的剪切强度达到359MPa。尽管这一方法使接头获得了较高的连接强度，但焊前需要对γ-TiAl表面进行激光熔敷处理，因此，工艺复杂，成本较高。公开号为CN101352772A、发明名称为TiAl/Nb基合金与Ni基高温合金的扩散焊连接方法的中国专利也公开了一种采用Nb-Ni复合中间层扩散连接TiAl/GH710高温合金的方法，所得到的接头抗剪强度为372MPa。尽管利用此方法获得了较高的剪切强度，但连接热循环周期长，效率低，且扩散连接方法本身存在焊前工件待焊表面的制备和装配要求高，焊接工件的形状和尺寸受到限制，不利于复杂构件的连接等缺点。
由于TiAl与Ni基高温合金为应用于航空、航天的热端部件，因此连接接头应具有好的耐高温性能，文献“Gamma Ti aluminides for non-aerospace applications，Toshimitsu Tetsui.Current Opinionin Solid State and Materials Science 1999，4：243-248”公开了一种TiAl涡轮增压器与钢轴的连接方法，采用Ni基高温合金作为过渡套，利用银钎焊的方法实现了TiAl合金与Ni基过渡套的连接，此方法虽然能够达到TiAl合金与Ni基合金连接的目的，但此方法所用的银基钎料成本较高，且所得连接接头不能承受500℃以上的高温环境。采用真空钎焊的方法焊接TiAl基合金与Ni基合金时，就必须选择高温钎料(如Ti基钎料和Ni基钎料)进行焊接，而在较高的连接温度下，TiAl基合金母材极易与钎料发生反应，生成脆性的金属间化合物，当这些脆性相聚集长大呈大块状分布时，严重影响接头性能。
发明内容
本发明是为了解决现有的焊接TiAl基合金与Ni基高温合金扩散连接方法的工艺复杂、成本高、连接热循环周期长、效率低及焊件待焊表面要求高、银钎焊的接头不耐高温及高温钎焊的脆性相易生成聚集长大的问题，提供TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法。
本发明的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法按以下步骤进行：一、对Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面进行处理；二、将Ti箔片置于TiAl基合金与Ni基高温合金之间，构成待焊件；三、将待焊件置于真空钎焊炉中，以0.001MPa～0.01MPa的预压力固定，然后在真空度为1.0×10-3Pa～7.0×10-3Pa的条件下，以5℃/min～20℃/min的速度，升温到790℃～810℃，保温8min～12min，再以5℃/min～20℃/min的速度继续加热到960℃～1040℃，保温1min～30min，再以5℃/min～20℃/min的速度降温到300℃～500℃后，随炉冷却至室温，即完成连接。
步骤一中的Ti箔片的厚度为50μm～100μm。
步骤一中Ti箔片的处理为将Ti箔片放入丙酮中用超声波清洗10min～20min后晾干。
步骤一中TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面的处理为将待焊面用600#金相砂纸打磨，然后将待焊面浸入丙酮中用超声波清洗10min～20min后晾干。
本发明利用简单的钎焊方法，常用低廉的设备实现了TiAl基合金与Ni基高温合金的钎焊连接，连接温度最高为960℃～1040℃，钎焊的时间为10min～40min，而且对待焊面用600#金相砂纸打磨即可，在较低的温度和较短的时间内将TiAl基合金与Ni基高温合金连接在一起，工艺过程简单，生产效率高，使焊接成本降低。
本发明采用Ti箔片作为接触反应钎焊的中间层，在升温过程中Ti与Ni基高温合金中的Ni发生共晶反应，产生液相，随着温度的继续升高或保温时间的延长，Ti箔片逐渐熔化，当Ti箔片完全熔化后，使TiAl母材向熔融液相中溶解扩散，在一定程度上延缓了TiAl合金侧的反应，可以减少TiAl合金母材向焊缝中的大量溶解，即减少了焊缝中Al的含量，从而减少了大块状脆性相的生成；在本发明的条件下，通过控制工艺参数，控制脆性相聚集长大，因此，在界面中生成的Ti-Ni，Ti-Al，Ti-Ni-Al的合金组织均匀分布在连接界面中，形成良好的冶金结合，尽管焊缝中生成了脆性相，但都相间、均匀的分布在焊缝中，使接头性能良好，另一方面，Ti中间层在与Ni基高温合金中的Ni迅速发生反应的同时，高温合金中的合金元素Cr、W、Mo、Co等也部分溶解进入焊缝，起到强化焊缝的作用，增加脆性相的韧性，本发明利用Ti作中间层，实现了TiAl与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接，得到的连接接头的抗剪强度达到240MPa～300MPa，由于焊缝中生成的Ti-Ni，Ti-Al，Ti-Ni-Al的合金组织在800℃的高温下，均比较稳定，在800℃高温时的抗剪强度为180MPa～210MPa，采用简单的钎焊方法使TiAl基合金与Ni基合金获得可靠连接，所得连接接头可以应用于高温环境下的航空、航天的热端部件。
附图说明
图1是具体实施方式十四得到的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊接头的扫描电镜照片；图2是具体实施方式十五得到的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊接头的扫描电镜照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法按以下步骤进行：一、对Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面进行处理；二、将Ti箔片置于TiAl基合金与Ni基高温合金之间，构成待焊件；三、将待焊件置于真空钎焊炉中，以0.001MPa～0.01MPa的预压力固定，然后在真空度为1.0×10-3Pa～7.0×10-3Pa的条件下，以5℃/min～20℃/min的速度，升温到790℃～810℃，保温8min～12min，再以5℃/min～20℃/min的速度继续加热到960℃～1040℃，保温1min～30min，再以5℃/min～20℃/min的速度降温到300℃～500℃后，随炉冷却至室温，即完成连接。
本实施方式利用简单的钎焊方法，常用低廉的设备实现了TiAl基合金与Ni基高温合金的钎焊连接，连接温度最高为960℃～1040℃，钎焊的时间为10min～40min，而且对待焊面用600#金相砂纸打磨即可，在较低的和较短的时间内将TiAl基合金与Ni基高温合金连接在一起，工艺过程简单，生产效率高，使焊接成本降低。本实施方式采用Ti箔片作为接触反应钎焊的中间层，在升温过程中Ti与Ni基高温合金中的Ni发生共晶反应，产生液相，随着温度的继续升高或保温时间的延长，Ti箔片逐渐熔化，当Ti箔片完全熔化后，使TiAl母材向熔融液相中溶解扩散，在一定程度上延缓了TiAl合金侧的反应，可以减少TiAl合金母材向焊缝中的大量溶解，即减少了焊缝中Al的含量，从而减少了大块状脆性相的生成；在本实施方式的条件下，通过控制工艺参数，控制脆性相聚集长大，因此，在界面中生成的Ti-Ni，Ti-Al，Ti-Ni-Al的合金组织均匀分布在连接界面中，形成良好的冶金结合，尽管焊缝中生成了脆性相，但都相间、均匀的分布在焊缝中，使接头性能良好，另一方面，Ti中间层在与Ni基高温合金中的Ni迅速发生反应的同时，高温合金中的合金元素Cr、W、Mo、Co等也部分溶解进入焊缝，起到强化焊缝的作用，增加脆性相的韧性，本实施方式利用Ti作中间层，实现了TiAl与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接，得到的连接接头的抗剪强度达到240MPa～300MPa，由于焊缝中生成的Ti-Ni，Ti-Al，Ti-Ni-Al的合金组织在800℃的高温下，均比较稳定，在800℃高温时的抗剪强度为180MPa～210MPa，采用简单的钎焊方法使TiAl基合金与Ni基合金获得可靠连接，所得连接接头可以应用于高温环境下的航空、航天的热端部件。
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一中的Ti箔片的厚度为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不同的是步骤一中的Ti箔片的厚度为80μm。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式所得的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊连接接头的抗剪强度为260MPa～290MPa。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中Ti箔片的处理为将Ti箔片放入丙酮中用超声波清洗10min～20min后晾干。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中Ti箔片的处理为将Ti箔片放入丙酮中用超声波清洗15min后晾干。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面的处理为将待焊面用600#金相砂纸打磨，然后将待焊面浸入丙酮中用超声波清洗10min～20min后晾干。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面的处理为将待焊面用600#金相砂纸打磨后，将待焊面浸入丙酮中用超声波清洗15min后晾干。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中待焊件以0.002MPa～0.009MPa的预压力固定。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中待焊件以0.005MPa的预压力固定。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤三中真空钎焊炉的真空度为2.0×10-3Pa～6.0×10-3Pa。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤三中真空钎焊炉的真空度为4.0×10-3Pa。其它与具体实施方式一至九之一相同。
本实施方式所得的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊连接接头的抗剪强度为250MPa～280MPa。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤三中真空钎焊炉以8℃/min～16℃/min的速度，升温到795℃～805℃，保温9min～11min，再以8℃/min～16℃/min的速度继续加热到980℃～1020℃，保温5min～25min，再以8℃/min～16℃/min的速度降温到350℃～450℃后，随炉冷却至室温。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤三中真空钎焊炉以12℃/min的速度，升温到800℃，保温10min，再以12/min的速度继续加热到1000℃，保温15min，再以12℃/min的速度降温到400℃后，随炉冷却至室温。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
本实施方式所得的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊连接接头的抗剪强度为240MPa～260MPa。
具体实施方式十四：本实施方式的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法按以下步骤进行：一、对厚度为100μm的Ti箔片、(α2+γ)双相TiAl基合金及GH99型Ni基高温合金的待焊面进行处理；二、将Ti箔片置于TiAl基合金与Ni基高温合金之间，构成待焊件；三、将待焊件置于真空钎焊炉中，以0.01MPa的预压力固定，然后在真空度为4.0×10-3Pa的条件下，以10℃/min的速度，升温到800℃，保温10min，再以10℃/min的速度继续加热到1000℃，保温10min，再以10℃/min的速度降温到350℃后，随炉冷却至室温，即完成连接。
步骤一中Ti箔片的处理为将Ti箔片放入丙酮中用超声波清洗10min后晾干。
步骤一中TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面的处理为将待焊面用600#金相砂纸打磨，然后将待焊面浸入丙酮中用超声波清洗15min后晾干。
本实施方式得到的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊接头的扫描电镜照片如图1所示，从图1可以看出，钎焊接头中主要有Ti-Ni、Ti-Al、Ti-Ni-Al的化合物生成，其中，在接头的中间部位生成的Ti3Al、Ti2Ni、Al3NiTi2相比较均匀地分布于焊缝中，没有单一的化合物呈大块状及层状分布在焊缝中。在GH99/Ti界面处，生成了白色弥散状分布的(Ni，Cr)ss组织，对接头强度提高有利。在Ti/TiAl界面处，Al3NiTi2与Ti3Al相呈相间层片状分布，垂直于焊缝长度方向，有利于Ti/TiAl界面结合强度的提高。
本实施方式所得的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊接头的抗剪强度为297.4MPa，在800℃高温时的抗剪强度为210MPa。
本实施方式用简单的钎焊方法，常用的设备实现了TiAl基合金与Ni基高温合金的钎焊连接，连接温度最高为1000℃，钎焊的时间为10min，在较低的温度和较短的时间内将TiAl基合金与Ni基高温合金连接在一起，工艺过程简单，生产效率高。
具体实施方式十五：本实施方式的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法按以下步骤进行：一、对厚度为80μm的Ti箔片、(α2+γ)双相TiAl基合金及GH99型Ni基高温合金的待焊面进行处理；二、将Ti箔片置于TiAl基合金与Ni基高温合金之间，构成待焊件；三、将待焊件置于真空钎焊炉中，以0.008MPa的预压力固定，然后在真空度为7.0×10-3Pa的条件下，以15℃/min的速度，升温到800℃，保温12min，再以15℃/min的速度继续加热到1000℃，保温5min，再以15℃/min的速度降温到400℃后，随炉冷却至室温，即完成连接。
步骤一中Ti箔片的处理为将Ti箔片放入丙酮中用超声波清洗15min后晾干。
步骤一中TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面的处理为将待焊面用600#金相砂纸打磨，然后将待焊面浸入丙酮中用超声波清洗20min后晾干。
本实施方式得到的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊接头的扫描电镜照片如图2所示，从图2可以看出，在5min的较短保温时间内，界面反应已经完成，钎焊接头中主要有Ti-Ni、Ti-Al、Ti-Ni-Al的化合物生成，其中，占据焊缝大部分的Ti3Al、Ti2Ni、Al3NiTi2相比较均匀地分布于焊缝中，在GH99/Ti界面有(Ni，Cr)ss生成，Ti/TiAl界面处，有呈相间层片状分布Al3NiTi2与Ti3Al相生成，均有利于焊缝结合强度的提高。
本实施方式所得的TiAl基合金与Ni基高温合金接触反应钎焊接头的抗剪强度为256MPa，在800℃高温时的抗剪强度为192MPa。
本实施方式用简单的钎焊方法，常用的设备实现了TiAl基合金与Ni基高温合金的钎焊连接，连接温度最高为1000℃，钎焊的时间为5min，在较低的温度和较短的时间内将TiAl基合金与Ni基高温合金连接在一起，工艺过程简单，生产效率高。
Claims (10)
1.TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法按以下步骤进行：一、对Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面进行处理；二、将Ti箔片置于TiAl基合金与Ni基高温合金之间，构成待焊件；三、将待焊件置于真空钎焊炉中，以0.001MPa～0.01MPa的预压力固定，然后在真空度为1.0×10-3Pa～7.0×10-3Pa的条件下，以5℃/min～20℃/min的速度，升温到790℃～810℃，保温8min～12min，再以5℃/min～20℃/min的速度继续加热到960℃～1040℃，保温1min～30min，再以5℃/min～20℃/min的速度降温到300℃～500℃后，随炉冷却至室温，即完成连接。
2.根据权利要求1所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤一中的Ti箔片的厚度为50μm～100μm。
3.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤一中Ti箔片的处理为将Ti箔片放入丙酮中用超声波清洗10min～20min后晾干。
4.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤一中TiAl基合金及Ni基高温合金的待焊面的处理为将待焊面用600#金相砂纸打磨，然后将待焊面浸入丙酮中用超声波清洗10min～20min后晾干。
5.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤三中待焊件以0.002MPa～0.009MPa的预压力固定。
6.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤三中待焊件以0.005MPa的预压力固定。
7.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤三中真空钎焊炉的真空度为2.0×10-3Pa～6.0×10-3Pa。
8.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤三中真空钎焊炉的真空度为4.0×10-3Pa。
9.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤三中真空钎焊炉以8℃/min～16℃/min的速度，升温到795℃～805℃，保温9min～11min，再以8℃/min～16℃/min的速度继续加热到980℃～1020℃，保温5min～25min，再以8℃/min～16℃/min的速度降温到350℃～450℃后，随炉冷却至室温。
10.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接方法，其特征在于步骤三中真空钎焊炉以12℃/min的速度，升温到800℃，保温10min，再以12℃/min的速度继续加热到1000℃，保温15min，再以12℃/min的速度降温到400℃后，随炉冷却至室温。
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