CN102120281A - 一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法 - Google Patents

一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法 Download PDF

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陈志强
姜建伟
吴胜男
刘国良
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Abstract

本发明介绍了一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，转子材质原子组成为：Ti-(46-47)Al-(3.5-4.5)Nb-(0.5-1.5)Cr-(0.2-0.6)Ni-(0.2-0.8)Si；钢轴为42CrMo、40Cr、35CrMo结构钢，钎料为BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi；钎料厚度0.02-0.20mm；钎焊温度液相线以上10-80℃；压力为0.1-20MPa；时间30s-30min。本发明钎焊后的接头室温抗拉强度Rm≥235MPa；600℃抗拉强度Rm≥220MPa，满足使用要求。

Description

一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法
  
技术领域
本发明涉及一种焊接技术，特别是一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法。
背景技术
随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，对高温材料的性能要求更高，即更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。γ-TiAl基合金材料具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，正在发展成为新一代航空发动机材料，可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片、压气机定子挡风板，定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和锻造零件，部分替代笨重的镍基高温合金可减重约50%。γ-TiAl基合金已用于制造汽车发动机的涡轮增压器、气阀等，可用于增压器涡轮转子的钛铝材料有美国材料Ti48Al2Cr2Nb、日本大同特钢公司专利Ti-(32-36wt%）Al-(0.1-2 wt%)Si-(0.1-5wt%)Nb-(0.1-3wt%)Cr，以及中国专利ZL200910064183.2钛铝材料Ti-(46-47at%)Al-(3.5-4.5at%)Nb-(0.5-1.5at%)Cr-
(0.2-0.6at%)Ni-(0.2-0.8at%)Si。
用TiAl制造的涡轮叶片必须与钢轴焊接才能组成一个完整的零件，常用的钢轴材料为42CrMo、40Cr、35CrMo。目前，车用涡轮增压器的涡轮最常用的连接方式是高温镍基合金涡轮与钢轴直接摩擦焊接或采用电子束焊接。由于TiAl合金焊接性能较差，目前应用于涡轮增压器的一大难题就是TiAl合金涡轮与钢质转轴的连接技术。钛铝涡轮与钢轴焊接的关键问题是在界面处有中间相的形成和两种材料的线膨胀系数不同，室温至700℃, TiAl的线膨胀系数为10×10-6/℃，比钢材的15×10-6/℃要小，两种材料直接焊接后热应力很大，焊接件出现裂纹或脆性断裂。因此，TiAl合金材料的特殊性决定了TiAl合金涡轮不可能采用直接摩擦焊接或采用电子束焊接这两种通用的方式实现TiAl合金涡轮与钢轴的连接。
申请号97125874.0的中国专利，在钛铝涡轮与钢轴的连接过程中引入了中间过渡体的方案，TiAl合金涡轮与钢轴的连接结构采用加中间过渡体的连接结构，过渡体的材料选择普通的镍基高温合金。具体连接方案是TiAl合金涡轮与中间过渡体采用热装过盈配合，中间过渡体与钢轴采用摩擦焊接连接。
李玉龙、何鹏、冯吉才等人在《焊接》 2005(10)发表的“TiAl基合金与钢连接技术研究进展”中报道，日本的T.Tetsui等人采用Ni基合金套过渡的连接方法连接TiAl合金涡轮与钢轴，首先采用钎焊的方法连接TiAl与Ni基合金套，再采用电子束的方法来连接Ni基合金套与结构钢轴。Tetsui连接的这种采用Ni基合金过渡的涡轮增压转子已装配在三菱公司某型号发动机上，进行了发动机运转试验，取得了较好的效果。
以上加中间体的连接方式虽然可以连接钛铝涡轮与钢轴，但增加了生产工序和成本，不利于大批量产业化生产。钛铝涡轮与钢轴直接钎焊连接是目前认为最合理、可靠的节约成本的大规模产业化推广方式。
张轲、吴鲁海、楼松年、阮鹤在《焊接》 2002(10)发表的“TiAl/40Cr的扩散钎焊”中报道，为改善TiAl/40Cr接头的可焊性和增加连接强度，选用Ti含量为4％、熔化温度大约为800℃、厚度为0.20mm的Ag-Cu-Ti箔作为中间层，焊接方法采用真空钎焊，焊接参数为：焊接压力0.4 MPa，焊接时间10 min，焊接温度900℃，真空度10-2Pa；接头的抗拉强度为387 MPa，约等于母材的抗拉强度。以Ag-Cu-Ti为钎料的接头强度高的一个原因是焊缝中Ag、Cu、Ti三元素都发生了较为强烈的扩散，并生成了富Ag的A相单相Ag和富Cu的B相金属间化合物AlCu2Ti相，由于AlCu2Ti相为B2结构，是一种比较坚硬的相，当该相的厚度比较薄时，就起到了增强的作用。
朱颖、张茉、王国建、康慧、曲平在《航天制造技术》2005.8发表的“TiAl基合金和42CrMo钢的真空钎焊”中报道，对TiAl基合金和42CrMo钢进行钎焊，钎料成分为Ti-20Zr-Cu-Ni；钎料采用快速凝固方法制备，制备的箔片厚度约为0.05mm；钎焊工艺参数为：真空度1.0×10-3Pa，钎焊温度930℃，保温时间分别为15min、30min、60min；接头平均拉伸强度110MPa，接头的断裂层均在42CrMo母材与钎料间的界面层。
废气涡轮增压是现代汽油机和柴油发动机提高功率的主要技术之一，增压涡轮在发动机燃油废气驱动下高速旋转工作，柴油机涡轮转速通常为(5-20)×104r/min，汽油机涡轮转速通常可达（25-26）×104r/min，且涡轮需要长时间承受700-950℃左右的高温工作环境。增压涡轮通过结构钢轴与铝制压气机轮连接带动压气机轮工作，增压涡轮转子与结构钢轴连接处工作温度可达500-600℃。使用银基钎料和钛基钎料进行钛铝涡轮与钢轴的钎焊，钎焊的接头虽然可以满足增压器涡轮转子室温使用要求，但钎焊接头难以在500-600℃下长时间工作。
钎焊时钎料的选择需要根据钛铝合金的材质不同、钢轴的材质的不同进行分析和选择，正如钎焊文献中讲述，钎焊时钎料与钛铝合金之间、钎料与钢轴之间、钢轴与钛铝之间均会发生元素的相互扩散，导致钛铝涡轮轴一侧、钢轴一侧以及焊缝处会产生不同的化合物。不同钎料的焊接接头产生的化合物不同，不同的钎料厚度、钎焊温度、保压压力和时间对焊接接头的显微组织具有不同程度的影响，从而使焊接轴的室温和高温强度、塑性等性能产生巨大的差异，最终影响焊接涡轮轴的室温及高温应用。因此，需要根据不同的钛铝涡轮材质和钢轴材质合理选择钎焊用钎料的种类，以及钎焊时的工艺参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，供适用于中国专利ZL200910064183.2报道的Ti-(46-47at%)Al-
(3.5-4.5at%)Nb-(0.5-1.5at%)Cr-(0.2-0.6at%)Ni-(0.2-0.8at%)Si钛铝合金材质涡轮转子与42CrMo、40Cr、35CrMo结构钢轴进行焊接，通过选择合理的钎料以及钎焊的工艺参数，使性能差异较大的钛铝合金涡轮转子与钢轴能够牢固地结合以满足车用发动机增压转子系统的工况要求，保证涡轮轴焊接接头在500-600℃下长时间工作。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，钛铝合金涡轮转子材料成分原子百分比组成为：Ti-(46-47at%)Al-(3.5-4.5at%)Nb-(0.5-1.5at%)Cr-(0.2-0.6at%)Ni- (0.2-0.8at%)Si；适用的钢轴的结构钢为：42CrMo、40Cr或者35CrMo结构钢，钎焊用钎料为对应美国牌号BNi-1的BNi73CrFeSiB(C) 、对应美国牌号BNi-2的BNi82CrSiBFe、对应美国牌号BNi-3的BNi92SiB 、对应美国牌号BNi-4的BNi95SiB、对应美国牌号BNi-5的BNi71CrSi；钎焊设备可以选用感应钎焊设备和真空钎焊设备，感应钎焊时，涡轮与钢轴需要在惰性气体保护下进行高频感应钎焊，以防止发生高温氧化；真空钎焊时，钎焊炉内需要保持一定的真空度，以防止发生高温氧化；钎焊工艺为：
（1）钎料厚度0.02-0.20mm，优选0.03-0.05mm；
（2）钎焊温度：钎料液相线温度以上10-80℃，优选液相线以上30-50℃；
（3）钎焊压力为0.1-20MPa，优选2-8MPa；
（4）钎焊时间30秒-30min，真空钎焊优选5-10min，感应钎焊优选2-3min；
（5）真空钎焊时真空度：1× 10-4--1 ×10-1 Pa，优选（1-10）× 10-2 Pa；感应钎焊时采用氩气进行钛铝与钢轴钎焊时的惰性气体保护。这里所说的真空度是指钎焊设备炉膛内的真空余压。
所述的42CrMo的化学成分质量百分比组成为：C/0.38-0.45，Si/0.17-0.37，Mn/0.5-0.8，Mo/0.15-0.25，Cr/0.9-1.25，其余为铁，对应日本牌号SCM440、美国牌号ASTM 4140；40Cr材质与42CrMo相比，除没有Mo元素外，其余成分及含量基本相同，该材质化学成分质量百分比组成为：C/0.37-0.44，Si/0.17-0.37，Mn/0.5-0.8，Cr/0.8-1.1，其余为铁，对应日本牌号SCr440、美国牌号ASTM 5140；35CrMo材质与42CrMo相比，除C含量稍低外，其余成分及含量基本相同，其化学成分质量百分比组成为：C/0.32-0.40，Si/0.17-0.37，Mn/0.4-0.7，Mo/0.15-0.25，Cr/0.8-1.1，其余为铁，对应日本牌号SCM435、美国牌号ASTM4135。
所述BNi73CrFeSiB(C)钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Cr/13-15，Si/4-5，B/2.75-3.5，Fe/4-5，C/0.6-0.9，P≤0.02，Ni为余量；BNi82CrSiBFe钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Cr/6-8，Si/4-5，B/2.75-3.5，Fe/2.5-3.5，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量；BNi92SiB钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Si/4-5，B/2.75-3.5，Fe≤0.5，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量；BNi95SiB钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Si/3-4，B/1.5-2.2，Fe≤1.5，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量； BNi71CrSi钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Cr/18.5-19.5，Si/9.75-10.5，B≤0.03，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量。
本发明的各种组成、含量以及配比，如果没有特别说明，均是指质量百分比组成、含量和配比。
这些技术方案，包括优选的技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
本发明的钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，采用BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi作为钎焊用钎料，进行Ti-(46-47at%)Al-(3.5-4.5at%)Nb-(0.5-1.5at%)Cr-(0.2-0.6at%)Ni-
(0.2-0.8at%)Si钛铝合金涡轮转子与42CrMo、40Cr、35CrMo结构钢轴的真空钎焊和感应钎焊。钎焊后的接头室温和600℃时的强度如下：室温抗拉强度Rm：≥235MPa；600℃抗拉强度Rm：≥220MPa。满足钛铝涡轮轴与钢轴焊接后的使用要求。
具体实施方式
实施例1
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与42CrMo钢轴，采用镍基钎料包括对应美国牌号BNi-1的BNi73CrFeSiB(C)、对应美国牌号BNi-2的BNi82CrSiBFe、对应美国牌号BNi-3的BNi92SiB、对应美国牌号BNi-4的BNi95SiB、对应美国牌号BNi-5的BNi71CrSi进行感应钎焊，感应钎焊工艺为：1）钎料厚度0.04mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上50℃；3）钎焊压力为5MPa；4）钎焊时间2min；5）通氩气进行惰性气体保护焊。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表1所示。
实施例2
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni -0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与42CrMo钢轴，采用镍基钎料BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi进行感应钎焊，感应钎焊工艺为：1）钎料厚度0.02mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上80℃；3）钎焊压力为8MPa；4）钎焊时间5min；5）通氩气进行惰性气体保护焊。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表1所示。
实施例3
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与42CrMo钢轴，采用镍基钎料BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi进行真空钎焊，真空钎焊工艺为：1）钎料厚度0.2mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上10℃；3）钎焊压力为20MPa；4）钎焊时间2min；5）真空度：1×10-4 Pa。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表1所示。
实施例4
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与40Cr钢轴，采用镍基钎料BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi进行真空钎焊，真空钎焊工艺为：1）钎料厚度0.04mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上50℃；3）钎焊压力为2MPa；4）钎焊时间10min；5）真空度：1×10-2 Pa。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表2所示。
实施例5
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与40Cr钢轴，采用镍基钎料BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi进行真空钎焊，真空钎焊工艺为：1）钎料厚度0.02mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上80℃；3）钎焊压力为0.1MPa；4）钎焊时间30min；5）真空度：1×10-1 Pa。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表2所示。
实施例6
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与40Cr钢轴，采用镍基钎料BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi进行感应钎焊，感应钎焊工艺为：1）钎料厚度0.2mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上10℃；3）钎焊压力为20MPa；4）钎焊时间30秒；5）通氩气进行惰性气体保护焊。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表2所示。
实施例7
Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si(at%)钛铝材质涡轮轴与35CrMo钢轴，采用镍基钎料BNi73CrFeSiB(C)、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB、BNi95SiB、BNi71CrSi进行真空钎焊，真空钎焊工艺为：1）钎料厚度0.04mm；2）钎焊温度：钎料液相线温度以上50℃；3）钎焊压力为2MPa；4）钎焊时间10min；5）真空度：1×10-2 Pa。钎焊后，焊接接头室温和600℃抗拉强度如表2所示。
表1   钛铝涡轮与钢轴的钎焊工艺参数及钎焊接头力学性能表
表2   钛铝涡轮与钢轴的钎焊工艺参数及钎焊接头力学性能
Figure DEST_PATH_326315DEST_PATH_IMAGE002

Claims (7)

1.一种钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，转子材质成分为：Ti-(46-47at%)Al-(3.5-4.5at%)Nb-(0.5-1.5at%)Cr-(0.2-0.6at%)Ni-(0.2-0.8at%)Si；适用的钢轴的结构钢为：42CrMo、40Cr或35CrMo结构钢，钎焊用钎料为BNi73CrFeSiB(C) 、BNi82CrSiBFe、BNi92SiB 、BNi95SiB或BNi71CrSi；钎焊设备为感应钎焊设备或真空钎焊设备，感应钎焊时，涡轮与钢轴需要在惰性气体保护下进行高频感应钎焊；真空钎焊时，钎焊炉内需要保持一定的真空度；钎焊工艺为：
（1）钎料厚度0.02-0.20mm；
（2）钎焊温度：钎料液相线温度以上10-80℃；
     （3）钎焊压力为0.1-20MPa；
     （4）钎焊时间30秒-30min；
（5）真空钎焊时真空度：1×10-4--1 × 10-1 Pa；感应钎焊时采用氩气进行钛铝与钢轴钎焊时的惰性气体保护。
2.根据权利要求1所述钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，其特征是：所述的钎料厚度为0.03-0.05mm。
3.根据权利要求1所述钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，其特征是：所述的钎焊温度为钎料液相线以上30-50℃。
4.根据权利要求1所述钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，其特征是：所述的钎焊压力为2-8Mpa。
5.根据权利要求1所述钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，其特征是：真空钎焊时真空度为（1-10）× 10-2 Pa。
6.根据权利要求1所述钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，其特征是：所述的42CrMo结构钢的化学成分质量百分比组成为：C/0.38-0.45，Si/0.17-0.37，Mn/0.5-0.8，Mo/0.15-0.25，Cr/0.9-1.25，其余为铁；40Cr结构钢材质化学成分质量百分比组成为：C/0.37-0.44，Si/0.17-0.37，Mn/0.5-0.8，Cr/0.8-1.1，其余为铁；35CrMo结构钢材质与质的化学成分质量百分比组成为：C/0.32-0.40，Si/0.17-0.37，Mn/0.4-0.7，Mo/0.15-0.25，Cr/0.8-1.1，其余为铁。
7.根据权利要求1所述钛铝材质涡轮增压器转子与钢轴的钎焊方法，其特征是：所述BNi73CrFeSiB(C)钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Cr/13-15，Si/4-5，B/2.75-3.5，Fe/4-5，C/0.6-0.9，P≤0.02，Ni为余量；BNi82CrSiBFe钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Cr/6-8，Si/4-5，B/2.75-3.5，Fe/2.5-3.5，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量；BNi92SiB钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Si/4-5，B/2.75-3.5，Fe≤0.5，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量；BNi95SiB钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Si/3-4，B/1.5-2.2，Fe≤1.5，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量； BNi71CrSi钎料的化学成分质量百分比组成为Co≤0.1，Cr/18.5-19.5，Si/9.75-10.5，B≤0.03，C≤0.06，P≤0.02，Ni为余量。
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