CN102164702A - 利用扩散焊接法组装钛部件和钢部件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种借助扩散焊接法将钛部件与钢部件组装在一起的方法，所述方法包括分别使铌或钒的薄层(14)和铜的薄层(16)介于钛部件(10)与钢部件(12)之间，将部件和介入金属层的这种组件置于真空，以及在900℃至950℃的温度范围内以及1000巴至1500巴的压力范围内对组件进行约两个小时的热均衡压缩。本发明尤其适用于制造用于涡轮机的涡轮轴。

Description

利用扩散焊接法组装钛部件和钢部件
技术领域
本发明涉及通过扩散焊接法将性质不同的部件组装在一起的方法，部件之一由钛制成，另一部件由钢制成，并且本发明还涉及利用该方法获得的金属部件，尤其是涡轮机的涡轮轴。
背景技术
在寻找减少噪音、燃料消耗量和飞机引擎的CO2排放量的研究中，涡轮机的低压涡轮轴传递的扭矩得到非常显著的提高而无需改变轴的直径和重量，从而促使申请人投资制造一种如下的轴：其具有由具有钛基体的复合材料制成的中部并包括由高强度钢制成的端部部件，端部部件可以被加工成具有相对复杂的形状来连接至涡轮机的其它部件。
尤其是由于用于涡轮轴的钛钢结需要具有非常强的机械特征，所以将钛的中部与钢的端部部件组装在一起所产生的问题到目前为止也没有以令人满意的方式得到解决。
发明内容
因此，本发明提供一种用扩散焊接法将钛部件和钢部件组装在一起的方法，所述方法的特征在于包括：
在钛部件和钢部件之间介入两个金属薄层，所述两个金属层包括(位于钛部件侧的)铌或钒的薄层或箔以及(位于钢部件侧的)铜的薄层或箔；
将包括所述两个部件和所述两个介入金属层的组件放置在真空中；以及
在900℃至950℃的温度范围内以及1000巴至1500巴的压力范围内对所述组件进行热均衡压缩，在所述热均衡压缩之后进行受控冷却。
对由所述钛部件、所述介入金属层和所述钢部件形成的组件进行热均衡压缩用于借助扩散焊接方法将所述钛部件与所述钢组件组装在一起，所述介入金属层防止钛迁移至钢中并且防止铁迁移至钛中，这是因为这种迁移会造成使得两个部件之间的结变弱的金属间相。
通常，热均衡压缩包括制造元件堆，以及通常用焊接方法将所述元件的外周密封，同时留下通向分界部用于排气目的的孔。在通过经由孔泵吸气体来执行排气之后，通常利用焊接法以真空密封的方式将孔密封。然后，将元件堆在预定持续时间内经受高温下的高压气体(通常氩气)。热均衡压缩消除了元件之间的间隙并且获得元件之间的固体状态焊接。
在本发明中，所述热均衡压缩的持续时间大约在一个小时至三个小时的范围内。如上所述，在本发明的具体实施例中，所述热均衡压缩的持续时间为约两个小时。
根据本发明的另一特征，所述方法包括随后对所述组件进行如下热处理：包括在约800℃的第一保持、然后进行冷却、在约450℃的第二保持、以及冷却。
在热处理期间将所述组件大约保持在1000巴至1500巴范围内的压力下。
所述介入金属层的厚度小，大约在20μm至50μm的范围内，并且可以通过冲压箔或在待组装在一起的部件的端部上沉积金属来形成。
根据本发明的另一特征，所述方法包括加工要组装在一起部件的端部以使所述端部具有互补的非平面形状，所述钢部件的端部包括至少一个与所述钛部件中的凹陷部接合的突出部。
这些形状在热均衡压缩期间利用钛和钢之间的热膨胀差异来保证两个部件在加热和冷却期间保持接触。
所述部件的端部可以呈例如锥形形状或双锥形形状。
本发明还提供一种金属部件，所述金属部件包括钛部分和钢部分，所述部件的特征在于，通过执行根据上述扩散焊接方法将这两个部分组装在一起，所述部分的端部借助(钛部分侧的)铌或钒的薄介入层和(钢部分侧的)铜的薄介入层结合在一起。
根据本发明的领域特征，所述钛部分是利用上述扩散焊接方法将所述钢部分组装到各个端部上的中部。
所述金属部件可以是实心的或管形的。
所述部件的中部可以由具有钛基体的复合材料制成。
所述金属部件可以构成用于涡轮机中的涡轮轴。
本发明还提供一种诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机之类的涡轮机，所述涡轮机的特征在于包括上述类型的涡轮轴。
附图说明
阅读借助于实例和参考附图所进行的描述可以更清楚地理解本发明以及本发明的其它特征、细节和优点，其中：
图1是示出本发明的钛部件与钢部件之间的结的示意性剖视图；
图2是示出本发明方法的主要步骤的流程图；
图3是绘制出了在根据本发明方法的热均衡压缩和热处理过程中的压力和温度曲线的曲线图；
图4是钛部件与钢部件之间的另一种结的形状的示意性透视图；
图5是本发明变型例的钢部件的端部的示意性剖视图；以及
图6是本发明的涡轮轴的端部的轴向剖面的半个示意图。
具体实施方式
图1示出了钛部件10与钢部件12的组装，这两个部件之间的结呈圆椎形并且部件12的端部具有形成修圆尖部的顶部，修圆尖部接合到位于部件10的端部处的具有互补形状的腔体中。
两个部件之间的界面由涂覆在钛部件10的端部处的铌或钒的薄层或箔14、以及涂覆在钢部件12的端部处的铜薄层或铜箔16形成。这些介入的箔14、16的厚度大约在例如20μm至50μm的范围内，而且可以通过冲压平板盘来形成这些箔。
在变型例中，可以采用例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、或电解沉积等已知方法沉积金属，在钛部件和钢部件的端部处直接形成介入层。
在图2中示意性地示出了本发明方法的主要步骤。
在步骤18中对用于组装的部件进行仔细清洁和去脂，然后在步骤20中将部件放置在不锈钢容器或壳体中，不锈钢容器或壳体是已知类型的，适于随后对所容纳的部件实施热均衡压缩。
在步骤22中，在容器内产生大约12小时的二次真空，然后通过焊接以真空密封的方式将容器封闭。
然后，在步骤24中，将容器放置在热均衡压缩封闭空间中，其中使包括钛部件、介入金属层和钢部件的组件经受大约在1小时到3小时的高温和高压，温度范围为900℃至950℃，压力范围为1000巴至1500巴。
然后对包括钛部件、介入的金属层和钢部件的组件进行热处理26以改善钢的质量，热处理通常包括保持在例如约800℃的高温下，然后进行受控冷却，并且再次保持在例如约450℃的高温下，然后进行受控冷却。
在本发明的具体实施例中，部件10由钛合金Ti 6242制成，部件12由特高强度钢M250制成，在压力为1400巴且温度为925℃的情况下热均衡压缩的持续时间为2个小时。
第一冷却以每分钟4℃至5℃的速率执行直到降至约400℃的温度，然后对组装部件10和12所构成的组件和介入的金属层进行如下热处理：保持在790℃的温度下两个小时并且保持在455℃的温度下两个小时，在第一保持后进行受控冷却并且以约每分钟4℃至5℃的冷却速率降低至周围温度。在保持455℃之后的冷却可以在空气中执行。
优选地，在整个热均衡压缩和钢热处理过程中保持对包括两个组装在一起的部件的组件的1400巴的压力。
在图3中示出了钢的热均衡压缩和热处理的特征，其中，曲线P表示施加到组装在一起的部件上的压力变化，曲线T表示这些部件经历的温度变化，沿着横坐标轴标示的是以小时为单位的时间，沿着纵轴向上标示的是以℃为单位的温度以及以巴为单位的压力。
当流体静压在1000巴至1500巴范围内时，热均衡压缩用于在不破坏介入金属的情况下经由热处理的冷却步骤。对诸如铜之类的延性金属的损坏在高流体静压下得到延迟，这是因为这种压力阻止形成缺陷以及阻止在该缺陷周围生长。这避免了现有技术中存在的问题，即，钢的热处理造成介入金属层由于在单轴压力下的不均匀膨胀的影响而剪力水平高，从而造成更多的延性介入金属被损坏。
图4是示出了钛部件10与钢部件12之间的结形状的变型实施例的示意图。在该变型中，钢部件12的端部包括截头锥形尖部，该截头锥形尖部具有沿着椎体的母线从椎体的顶部向底部延伸的凹槽28。两个部件10和12也形成有中心孔30。
在图5中针对钢部件12示意性地示出了两个部件之间的结的另一实施例。
该部件的用于组装在钛部件的端部上的端部呈双椎体形状并且包括从部件12的柱形外周向部件12的轴线延伸且从部件12突出的截头锥形表面32，该截头锥形表面经由修圆凸缘34连接至沿着与第一椎体表面相反的方向延伸且在部件12的端部处形成凹陷部的锥形表面36，该表面36从修圆边缘34延伸至部件12的中心轴线。
例如，截头锥形表面32的顶部处的角度可以为120°，而锥形表面36的顶部处的角度为约160°。
钛部件10的端部的形状与图5所示的形状互补。
图6是示出本发明低压涡轮轴的一部分的示意图，该轴包括由具有钛基体的复合材料制成的中部40，所述中部围绕轴线42呈管形并且其最大厚度在端部44处，端部44连接至高强度钢制成的管形端部部件48的对应端部46，从而形成连接至诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机之类的涡轮的另一部件的连接部件。
用钢制成端部部件48使得可以通过加工为其赋予任意合适的形状，并且其形状可以相对复杂。
轴的中部40的另一端部(未示出)也连接至如图6所示的同一类型的端部部件。
通过利用在钛部分和钢部分之间介入铌(或钒)和铜执行上述扩散焊接方法，执行中部40的端部44与端部部件48之间的连接。
中部40的各个端部和各自的端部部件48之间的结50呈具有修圆顶部的锥形形状，修圆顶部形成朝向中部40的圆弧形。
在一个实施例中，结的顶部处的圆弧形的半径大于20毫米(mm)并且顶部处的角度约为60°。
在本发明的具体实施例中，低压涡轮轴的中部40的外径为81mm且由具有Ti6242基体和SiC长纤维的复合材料制成，并且端部部件48由特高强度钢M250制成。中部40的两个端部与端部部件48的结能够传递与叶片损耗对应的扭矩，例如约70000牛顿米(Nm)。此外，这些结能够承受25000次起飞而不会出现裂缝，在起飞期间所传递的扭矩在41500Nm的量级下(其中，起飞是所传递的扭矩处于正常使用条件下的最大值的飞行阶段)。

Claims (15)

1.一种用扩散焊接法将钛部件和钢部件组装在一起的方法，所述方法的特征在于包括：
使两个金属薄层(14、16)介于钛部件(10)和钢部件(12)之间，所述两个金属层包括钛部件侧的铌或钒的薄层或箔以及钢部件侧的铜的薄层或箔；
将包括所述两个部件和所述两个介入金属层的组件放置在真空中；以及
在900℃至950℃的温度范围内以及1000巴至1500巴的压力范围内对所述组件进行热均衡压缩，在所述热均衡压缩之后进行受控冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述热均衡压缩的持续时间大约在一个小时至三个小时的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述方法随后包括对所述组件进行热处理，所述热处理包括在约800℃的第一保持、然后进行冷却、在约450℃的第二保持、以及冷却。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述方法包括在热处理期间将所述组件保持在大约1000巴至1500巴的压力范围内。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述介入金属的厚度在约20μm至约50μm的范围内。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述方法包括加工待组装在一起部件的端部，以使所述端部具有互补的非平面形状，所述钢部件(12)的端部包括至少一个与所述钛部件(10)中的凹陷部接合的突出部。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述方法包括使所述部件(10、12)的端部具有锥形形状或双锥形形状(32、36)。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
通过在待组装的部件(10、12)的端部上沉积金属来形成所述介入金属。
9.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述方法包括对所述介入金属(14、16)进行冲压，使其具有与所述部件(10、12)的端部的形状相对应的形状。
10.一种金属部件，包括钛部分(10、40)和钢部分(12、48)，所述部件的特征在于，这两个部分通过是执行根据上述权利要求中任一项所述的扩散焊接方法组装在一起的，所述两个部分的端部借助(钛部分侧的)铌或钒的薄介入层和(钢部分侧的)铜的薄介入层结合在一起。
11.根据权利要求10所述的金属部件，其特征在于，
所述钛部分是利用所述扩散焊接方法使所述钢部分(48)组装到各个端部(44)上的中部(40)。
12.根据权利要求11所述的金属部件，其特征在于，
所述金属部件是管形的。
13.根据权利要求12所述的金属部件，其特征在于，
所述中部(40)由钛基复合材料制成。
14.根据权利要求13所述的金属部件，其特征在于，
所述金属部件组成用于涡轮机中的涡轮轴。
15.一种诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机之类的涡轮机，其特征在于包括根据权利要求14所述的涡轮轴。
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