CN102229019B - 一种适合TiAl基合金材料与钛合金的氩弧焊方法 - Google Patents

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本发明属于焊接技术领域，涉及一种适合TiAl基合金与钛合金材料与钛合金的氩弧焊方法。(1)焊接选择TA0-1或TC4或与被焊钛合金母材同牌号的钛合金焊丝作为焊接填充材料；(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；(3)在充氩箱内采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊；(5)焊后对焊件进行退火热处理，热处理温度选择与被焊钛合金的完全去应力退火制度。本发明获得的接头室温拉伸强度为400～490MPa，达到TiAl母材的80％～95％。

Description

一种适合TiAl基合金材料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TiAl基合金与钛合金材料与钛合金的氩弧焊方法。
背景技术
TiAl金属间化合物具有比重轻(约为3.8g/cm3)、比强度高、刚性好、良好的高温力学性能和抗氧化性等优点，被认为是一种理想的、具有研究开发应用前景的航空、航天、军事及民用的新型的高温结构材料，可用于替代部分钛合金材料满足高温工作的需求。但TiAl基合金具有较低的室温塑性，室温延伸率仅为1％～2％，不能用于对塑性有要求的结构或部位。根据材料的各自特点及使用条件的不同，将TiAl基合金与其他常规合金进行连接更具应用价值。如：TiAl基合金与钛合金之间的连接技术，可以实现钛合金与TiAl组件的制造，此技术可以同时保证钛合金部分优良的低温塑性和TiAl部分耐高温的需求，无疑可以扩大TiAl基合金的工业应用范围。
当前的研究表明，大多数焊接方法均可以用于TiAl基合金，其中固态连接，如扩散焊、摩擦焊等被认为是较为有效的连接技术。文献《Investigation into the microstructure and mechanical properties ofdiffusion bonded TiAl alloys》(G
Figure BSA00000483708100011
等，J Mater Sci，2006，41：p5273-5282)报道在1000℃/10MPa/5h扩散焊条件下对Ti-48at％Al-3.7at％(Nb，Cr，C)合金的连接接头剪切强度达到388MPa，虽然焊后热处理(1430℃/30min)会提高接头的强度，但形成的粗晶组织也引起了接头的脆化。文献《Solid-state diffusion bonding of gamma-TiAlalloys using Ti/Al thin films as interlayers》(L.I.Duarte等，Intermetallics，2006，14：p1151-1156)还提出用Ti/Al交替变化的微米厚度薄膜作为中间层进行TiAl的扩散焊研究，以达到在较低的扩散焊温度下通过较短的时间实现扩散连接。Glatz和Clemens对Ti-47Al-2Cr-0.2Si(at.％)/Ti-6Al-4V(wt％)组合进行扩散焊连接。探索γ-TiAl合金与传统航空用钛合金连接的可能性。经1000℃/20MPa/3h扩散焊，获得了完好接头，且接头的室温和700℃拉伸强度较高。
扩散焊方法需要将被焊母材TiAl合金和钛合金置于扩散焊设备中，加热至被焊温度(1000℃左右)并保温一定时间(以保证元素充分扩散)，虽然整体加热接头内的热应力较小，对于TiAl难焊材料而言是有利的，但以下缺点限制了固相扩散焊的使用：(1)对配合面要求很高；(2)要求采用较大的压力，如3.5～35MPa；(3)对于复杂形状的工件不可能均匀加压，甚至还需要昂贵的和复杂的夹具。
《Investigation of Friction Welding Ti Aluminides.》(H Horn.ProcEuro.1，November 1991，Srasbourg，France，p441-448.)对TiAl的摩擦焊连接界面的研究结果进一步证明了界面重结晶区的产生。《TiAl金属间化合物の摩擦压接特性》(宫下卓也，日本金属学会志，1994，58(2)：p215-220.)用近等原子比的Ti-33.8Al(wt，％)进行了摩擦焊试验，在最佳连接规范参数条件下断裂发生在母材，抗拉强度达539MPa。接头组织分析表明，界面区由微细再结晶区、纤维状组织和塑性流动层区构成。通过降低摩擦应力，重新控制成分的热处理，可以获得重复性好和可靠的TiAl摩擦焊件。
异种材料之间的连接都是研究的重点之一，TiAl基合金亦不例外。国外众多知名公司如罗-罗、戴姆勒-克莱斯勒、丰田汽车公司、大同钢铁等均研究了TiAl基合金与钢之间的摩擦焊接，用于涡轮转子与钢轴的组合连接，获得了强度较高的接头。US6291086专利采用摩擦焊γ-TiAl和钢涡轮增压器组件，中间层为铁基合金A-286，获得接头强度为412MPa，断裂位置位于TiAl母材。文献《Effects of copper insert layer onthe properties of friction welded joints between TiAl and AISI4140 structuralsteel.》(Won-Bae Lee，Intermetallics，2004(12)：671-678)研究了Ti-47Al(质量分数，％)和AISI4140钢异种材料摩擦焊的可能性。采用纯Cu作中间层后在接头形成了TiAl/AlCu2Ti/TiCu4/AISI4l 40反应层，接头中央形成Cu2Ti相，而且夹层厚度控制在200μm或300μm时，接头抗拉强度分别为345MPa或375MPa，断裂发生在TiAl母材。摩擦焊接方法可以解决一些特殊结构的焊接问题，但是对接头形式有很大的限制，在很多实际应用场合并不适用。
哈尔滨工业大学研究了TiAl基合金与TC4合金异种材料电子束焊接，研究结果表明，Ti-43Al-9V-0.3Y/TC4异种材料电子束焊接接头成形良好，无咬边缺陷，但焊后接头TiAl一侧容易产生裂纹。由于宏观裂纹出现在TiAl一侧，针对此现象，研究侧偏焊方式(偏向TC4侧)进行电子束焊接，最佳工艺条件下，获得接头强度达到420MPa。
国内西北工业大学、中国兵器工业集团第七○研究所、钢铁研究总院，采用摩擦焊连接钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴钢，达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，连接件接头室温拉伸强度由背景技术的390MPa提高到480～537MPa，解决了连接接头拉伸强度低的技术问题。
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TiAl基合金的焊接，以及拓宽TiAl基合金的应用范围的一种适合TiAl基合金材料与钛合金的氩弧焊方法。
本发明的技术解决方案是，(1)焊接选择TA0-1或TC4或与被焊钛合金母材同牌号的钛合金焊丝作为焊接填充材料；
(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；
(3)在充氩箱内采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；
(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊；
(5)焊后对焊件进行退火热处理，热处理温度选择被焊钛合金的完全去应力退火温度。
本发明的优点是，本发明在焊前对TiAl基合金进行热处理，使TiAl的组织转变为塑性较好的双态组织，配合采用感应预热的方式可以有效避免焊接裂纹，在充氩箱内进行感应预热，还可克服常规空气加热引起的表面氧化问题，可以针对被焊件的大小和形状选择不同的感应预热线圈。选择TA0-1焊丝或TC4或者与被焊钛合金同牌号的焊丝作为TiAl基合金与钛合金焊接的填充材料，因其塑性比TiAl材料好得多，可使接头裂纹敏感性降低。采用钨极氩弧焊的焊接方法，相对于电子束焊不仅操作方便，而且对焊接设备投入低，相对于电子束焊、摩擦焊也易于推广，获得TiAl/钛合金接头室温拉伸强度为400～490MPa，达到TiAl母材的80％～95％。
具体实施方式
TiAl基合金与钛合金的焊接方法是，
(1)TiAl基合金与钛合金焊接选用填充材料TA0-1焊丝或TC4或与钛合金同牌号的焊丝；
(2)对TiAl基合金进行焊前热处理以改善基体材料的塑性，从而提高TiAl基合金的可焊性，热处理温度为：1310～1350℃，根据待焊件的尺寸选择热处理时间，选择的时间足以使焊件整体均匀受热；
(3)焊件的焊前准备，加工待焊部位及焊点或焊缝周围区域使其光亮，无其他污染物；
(4)通过感应线圈加热的方式对待焊的TiAl基合金进行预热，采用S型热电偶测量被焊TiAl材料距离焊缝20mm左右的位置处的预热温度，当预热温度达到500～800℃之间停止加热，为了避免TiAl材料氧化和吸氢脆化等问题，预热操作在充氩箱内完成；
(5)预热完毕后，随即对TiAl基合金与钛合金进行钨极氩弧焊接操作，选用的填充材料，具体焊接工艺参数根据焊件尺寸而定，原则是使其焊透；
(6)焊接完毕，从充氩箱内取出焊接试件，随后对其进行焊后退火热处理，热处理温度选择钛合金完全去应力温度(一般温度范围在500～700℃)，时间随试件大小而定。
实施例
表1各实施例使用的填充材料
Figure BSA00000483708100041
Figure BSA00000483708100051
TiAl基合金与钛合金的焊接，该方法的步骤是：
(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)TiAl和钛合金焊接试板尺寸为90×50×2.5mm，对TiAl基材料进行焊前热处理，热处理制度如表1所示；
(3)加工焊接坡口，钝边0.5mm，单边角度35°，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；
(4)TiAl基合金与钛合金之间的焊接，采用钨极氩弧焊方法，TiAl基合金与钛合金之间的焊接采用表1中所述的焊丝。焊前用丙酮擦拭钛合金焊丝；
(5)通过感应线圈加热的方式对待焊的TiAl基合金试板进行预热，将S型热电偶点焊固定在被焊TiAl基合金侧距离焊缝10mm的位置处，测量预热温度，通过温度记录仪监测加热温度，当预热温度达到如表1中所列预热温度时，停止加热；
(6)焊接时，根部间隙为1.0mm，焊接电流80～100A，焊接电压10～13V；
(7)焊接完毕，从充氩箱内取出焊接试板，随后对其进行焊后退火热处理，热处理温度如表1所示。
以上实施例的TiAl基合金/钛合金接头的室温拉伸强度为400～490MPa。接头强度系数较高，均达到被焊的TiAl母材的80％～95％。

Claims (4)

1.一种适合TiAl基合金材料与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：该方法的步骤是：
⑴焊接选择TA0-1或TC4或与被焊钛合金母材同牌号的钛合金焊丝作为焊接填充材料；
(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；
(3)在充氩箱内采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量待焊TiAl基合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；
(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊；
(5)焊后对焊件进行退火热处理，热处理温度选择被焊钛合金的完全去应力退火温度。
2.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金材料与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前感应预热，通过S型热电偶测量待焊TiAl基合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，当预热温度达到500～800℃之间停止加热，预热在充氩箱内进行。
3.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金材料与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前热处理，热处理温度为1320～1340℃。
4.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金与钛合金的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前预热，预热温度为650～800℃。
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