CN102205457B - 一种适合Ti3Al基合金与钛合金的氩弧焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及一种适合Ti₃Al基合金与钛合金异种材料之间的氩弧焊方法，可用于对Ti₃Al基合金组件与钛合金组件之间的连接。本发明在焊前采用电阻加热被焊Ti₃Al基合金，采用钨极氩弧焊，选用Ti-(25～50)Nb(at.％)丝材或与被焊钛合金母材同牌号的焊丝作为填充材料，进行氩弧焊接；焊后在充氩条件下，对焊件进行去应力退火处理。本发明获得的焊接接头的延伸率可达到8％，获得接头强度系数达到了被焊钛合金母材的90％以上，而接头的塑性相对于被焊母材下降幅度不大。采用钨极氩弧焊的焊接方法，操作方便，对焊接设备投入低，易于推广。

Description

一种适合Ti3Al基合金与钛合金的氩弧焊方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种适合Ti₃Al基合金与钛合金异种材料之间的氩弧焊方法，可用于对Ti₃Al基合金组件与钛合金组件之间的连接。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物比重小，用于航空发动机结构减重效果明显，Ti₃Al基合金代替镍基高温合金可使构件减轻约40％；另外，由于现有先进的高温钛合金如IMI834，Ti-1100等在600℃以上抗氧化性能、蠕变性能急剧降低，难以满足600℃以上结构应用的需要，而Ti₃Al基合金特别适合用作在600～750℃环境工作的结构材料，代替钛合金可提高结构的使用温度。目前，国外在Ti-Al系金属间化合物中，Ti₃Al基合金是唯一进入成熟应用阶段的材料。

有资料报道，国外已经成功将Ti₃Al金属化合物合金用在航空航天等工业领域，如美国已将Ti₃Al基合金用于制造喷气涡轮发动机上的尾喷燃烧器、高压压气机匣和航空发动机压气机转子等结构，并且把Ti₃Al合金作为重点研究发展的高温结构材料。作为结构材料，Ti₃Al基合金在工程应用中必然会涉及到它自身的连接，以及它与异种材料如钛合金的连接。目前连接Ti₃Al基合金有熔焊方法，如弧焊、电子束焊及激光焊(《Microstructure evolution of electron beam welded Ti₃Al-Nb joint》(Feng J C，Wu H Q.Materials Characterization，2005，54：p99～105.)和文献《Microstructure and mechanical properties of Ti-24Al-17Nb(at.％)laserbeam welding joints》(Wu A P，Zou G S.Intermetallics，2002，10：p647～652.))等，此外还有固态连接如钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成及摩擦焊等。其中，弧焊连接作为一种最通用的焊接方法因成本低、生产效率高，在工程修复中应用广泛。

Ti₃Al基合金属于较难焊接材料，其熔化焊存在的主要问题是常温塑性不足以及由此引起的固态裂纹《特殊及难焊材料的焊接》(李亚江.北京：化学工业出版社，2003，p235.)。在影响Ti₃Al基合金焊接的因素中，β相到α相转变是Ti₃Al基合金焊接技术中的重要因素。从β转变温度以上迅速冷却显微组织主要是残留的有序β相，又称B₂。该相虽然较软，但断裂韧性较低，热力学不稳定，在高温应用中将发生向α₂马氏体相转变。以稍慢的速度冷却，合金中形成非常硬的α₂马氏体相。尽管这种马氏体结构有非常高的强度，但脆性极大。

专利《Ti₃Al基合金熔化焊用填充材料》(专利号：ZL200610055865.3)报道使用Ti-Al-Nb系填充材料，其主要化学成分的原子百分比：Al20～25、Nb5～28、Mo0～2.0、V0～1、Si0～0.5、Ti余量，进行Ti₃Al基合金的氩弧焊接，但是这种填充材料不适于Ti₃Al与钛合金的焊接，因为得到的接头塑性相对于被焊母材下降幅度太大(大约不到母材的20％)，影响了焊接接头的实用性。

关于Ti₃Al基合金和钛合金异种材料之间的焊接，有过采用电子束焊接的报道，但是更简便易行的氩弧焊方法的报道很少。目前尚缺乏适用于Ti₃Al基合金与钛合金异种材料之间氩弧焊接的实用技术。缺乏一整套稳定控制焊缝质量并获得高强度的Ti₃Al基合金与钛合金异种材料组合氩弧焊接头的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有实用性，并且能够满足不同性能要求组件的焊接，以拓宽Ti₃Al基材料的应用范围的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法。

本发明的技术解决方案是，(1)焊前采用电阻加热被焊Ti₃Al基合金，预热温度达到190～250℃，停止加热；

(2)采用钨极氩弧焊，选用Ti-(25～50)Nb(at.％)丝材或与被焊钛合金母材同牌号的焊丝作为填充材料，进行Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊接；

(3)焊后在充氩条件下，对焊件进行去应力退火处理，退火温度选择被焊钛合金完全去应力温度，处理温度范围为500～700℃。

所述的填充材料，当对焊接接头塑性指标要求较高时，选用Ti-(25～50)Nb(at.％)丝材作为填充材料。

所述的填充材料当对焊接接头强度指标要求较高时，选用与被焊钛合金母材同牌号的焊丝。

本发明的优点是：

本发明提出针对接头不同性能要求，选择不同填充材料，作为Ti₃Al基合金与钛合金异种材料焊接的填充材料。对塑性指标要求较高的异种材料接头可选择Ti-(25～50)Nb(at.％)丝材作为填充材料(优先推荐使用Ti-(35～40)Nb(at.％)丝材)，含有相当含量Nb的填充材料有利于改善接头的塑性，获得的Ti₃Al基合金与钛合金异种材料氩弧焊接头延伸率可达到8％，满足工程应用的基本塑性要求。对于强度指标要求较高的Ti₃Al基合金与钛合金异种材料接头，选择与被焊母材同牌号的钛合金焊丝，获得接头强度系数较高，达到了被焊钛合金母材的90％以上，而接头的塑性相对于被焊母材下降幅度不大。采用钨极氩弧焊的焊接方法，操作方便，对焊接设备投入低，易于推广。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

表1各实施例使用的填充材料

其焊接的步骤是：

(1)实施例中的被焊母材和填充材料分别如表1所列，焊丝准备，并清洁焊丝表面；

(2)被焊母材准备，焊接试板尺寸：100×50×2.5mm，加工焊接坡口，单边坡口角度35°，钝边尺寸0.5mm，去掉坡口两侧10mm范围内的氧化膜，使其光亮，焊前用丙酮擦洗；

(3)通过电阻加热的方式对待焊的Ti₃Al基合金进行预热，采用表面测温仪测试Ti₃Al基合金试板表面的温度，当温度达到190～250℃时停止加热；

(4)Ti₃Al基合金与钛合金之间的焊接采用钨极氩弧方法，根部间隙为0.8mm，焊接电流130～150A，焊接速度2.5mm/s，焊接电压12～15V；

(5)焊接完毕，在充氩保护的条件下，对Ti₃Al基合金/钛合金焊接试板进行焊后退火热处理，热处理温度如表1所示。

上述实施例获得的Ti₃Al基合金/钛合金接头的接头延伸率和室温拉伸强度如表1所示。从表中数据可以看出，采用Ti-(25～50)Nb丝材获得异种材料接头延伸率明显高于采用与被焊钛合金母材同牌号的钛合金焊丝获得接头延伸率，与被焊Ti₃Al合金的室温延伸率相比，采用Ti-(25～50)Nb(at.％)获得的异种材料接头延伸率可达Ti₃Al母材80～100％。但采用与被焊钛合金母材同牌号的钛合金焊丝获得的异种材料氩弧焊接头强度系数较高，经计算可达到被焊的钛合金母材的90％以上，而接头的塑性仍可以达到母材的40％以上。

Claims (7)

1.一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：

(1)焊前采用电阻加热被焊Ti₃Al基合金，预热温度达到190～250℃，停止加热；

(2)采用钨极氩弧焊，选用Ti-（25～50）Nb(at.%)丝材或与被焊钛合金母材同牌号的焊丝作为填充材料，进行Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊接；

(3)焊后在充氩条件下，对焊件进行去应力退火处理，退火温度选择被焊钛合金完全去应力温度，处理温度范围为500～700℃。

2.根据权利要求1所述的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：所述的填充材料，对塑性指标要求较高的异种材料接头选择Ti-（30～35）Nb(at.%)作为Ti₃Al基合金与钛合金焊接的填充材料。

3.根据权利要求1所述的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：所述的填充材料，对塑性指标要求较高的异种材料接头选择Ti-（35～40）Nb(at.%)作为Ti₃Al基合金与钛合金焊接的填充材料。

4.根据权利要求1所述的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：所述的填充材料，选用Ti-（40～45）Nb(at.%)作为Ti₃Al基合金与钛合金焊接的填充材料。

5.根据权利要求1所述的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：选用Ti-32Nb(at.%)作为Ti₃Al基合金与钛合金焊接的填充材料。

6.根据权利要求1所述的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：选用Ti-37Nb(at.%)作为Ti₃Al基合金与钛合金焊接的填充材料。

7.根据权利要求1所述的一种适合Ti₃Al基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：选用Ti-42Nb(at.%)作为Ti₃Al基合金与钛合金焊接的填充材料。