CN102554457A - 钛铝基合金与钛合金经激光熔凝后进行扩散焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于焊接技术领域的一种钛铝基合金与钛合金经激光熔凝后进行扩散焊接的方法。该方法包括如下步骤：对待焊母材表面进行清理；对清洗后的待焊钛铝基合金和钛合金进行激光熔凝处理；将激光熔凝后的待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套中；在温度为900～930℃，压强为60～90MPa的条件下，对钛合金和钛铝基合金进行扩散焊接。本发明获得的接头在常温下抗拉强度为320～380MPa，达到了钛铝基合金母材的70％～87％；400℃抗拉强度为330～400MPa，达到了钛铝基合金母材的70％～83％。

Description

钛铝基合金与钛合金经激光熔凝后进行扩散焊接的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种钛铝基合金与钛合金(TC4)经激光熔凝后进行扩散焊接的方法。
背景技术
航空航天工业的迅速发展，对结构材料的要求，特别是对高温强度和热稳定性的要求越来越高。为开发高效率航空发动机，提高发动机推重比和发动机关键部件的使用温度，大力发展具有优良的比强度、比刚度和高温性能的结构材料以及相应的制造技术显然有着极为重要的意义。钛铝合金以其低密度(3.8g/cm3)、高强度以及良好的耐热性能和抗氧化性能，极限使用温度可达到980℃以上，成为近年来高温结构材料研究中十分活跃的方向。
在该合金的实用过程中，必然会遇到连接问题，其中包括与异类合金(如与高温合金、Ti合金)的连接。探索该合金与其它金属的连接方法，对促进该合金的实用化、扩大其适用范围以及发挥其性能优势等具有重要意义。采用扩散连接技术，因无需研制特殊焊剂，可以迅速实现复杂大面积零件的连接，对该材料的迅速应用将起到重要的推动作用。
异种合金间的连接技术一直是国内外学术界和工业界共同关注的热点前沿课题，特别是对新材料与它种材料的固态连接技术更是研究工作者所关注的重点。与同种合金的固态连接不同，由于异种合金间性能，特别是高温性能的差异，增大了连接工艺参量选择及工艺实施的难度。
文献《TiAl基合金的固态焊接》(贺跃辉，黄伯云，王彬等金属学报，1998，34(11)：1167-1172)中贺跃辉等人详细研究了具有各种不同显微组织的Ti-33Al-3Cr锻造合金的扩散连接行为，当粗晶的TiAl基合金与粗晶的TiAl基合金进行连接时，接口处形成了与母材组织不同的再结晶细晶组织，且接口处存在显微孔洞，接头仅有较低的抗拉强度和延伸率，断裂发生在接头的界面处；当粗晶的TiAl基合金与细晶双态组织的TiAl基合金进行连接时，由于细晶的TiAl基合金有较好的变形能力而与粗晶的TiAl基合金形成镶嵌式的接口结构，从而使接头的抗拉强度和延伸率提高；当细晶的TiAl基合金与细晶的TiAl基合金进行连接时，可得到与母材基本一致的显微组织，接头具有很高的抗拉强度和延伸率。
激光熔凝处理对TiAl合金有一定的晶粒细化作用，文献《Microstructure andmechanical properties of laser melting deposited γ-TiAl intermetallic alloys》(H.P.Quand H.M.Wang.Materials Science and Engineering：A，2007)中H.P.Qu和H.M.Wang研究表明，Ti-47Al-2.5V-1Cr金属间化合物通过激光熔凝工艺处理后具有组织细密的特点，并且拥有快速凝固的柱状晶粒组织。激光熔凝TiAl合金的初相α晶粒尺寸大约50μm，全片层组织的层片间距大约0.5μm。激光熔凝金属间化合物表现了优越的室温拉伸性能和各向异性。
发明内容
本发明针对现有技术中尚无效果良好的钛铝基合金与钛合金焊接方法，提出一种具有实用性，能够满足钛铝基合金的焊接，并且拓宽钛铝基合金应用范围的一种钛铝基合金和钛合金(TC4)的异种金属扩散焊接方法。
一种钛铝基合金与钛合金经激光熔凝后进行扩散焊接的方法，该方法步骤如下：
(1)对待焊的钛铝基合金和钛合金表面进行清理；
(2)将待焊钛铝基合金和钛合金预热至280℃～350℃，然后对待焊钛铝基合金和钛合金进行激光熔凝处理；
(3)将激光熔凝后的待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套中，所述保护套根据待焊试件尺寸制作，保护套用于使待焊试件在扩散焊接时非焊接面不发生变形；
(4)在温度为900～930℃，焊接压力为60～90MPa的条件下，对钛合金和钛铝基合金进行扩散焊接。时间随焊件大小而定，以焊透为准。
扩散焊接的优选条件为：温度为915℃，焊接压力为80MPa。
所述保护套由不锈钢材料制成。
所述钛合金为TC4钛合金。
步骤(1)中对母材表面的清理采用物理清理、化学清理或者先物理清理后化学清理。
所述物理清理是用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光；所述化学清理是根据母材的不同而配置相应的腐蚀液来去除母材表面的吸附层、杂质或氧化膜。
经过表面清理的待焊钛铝基合金和钛合金表面要进行涂料涂覆，以增加母材对激光的吸收作用，涂料的成分可以为乙醇、二氧化硅和冰晶石的混合物。
步骤(2)中所述对待焊钛铝基合金进行激光熔凝处理的工艺参数为：功率功率1.1～1.3KW，扫描速度1～3mm/s，优选参数为：功率1.2KW，扫描速度2mm/s。对待焊钛合金(TC4)进行激光熔凝处理的工艺参数为：功率1.1～1.3KW，扫描速度2～4mm/s，优选参数为：功率1.2KW，扫描速度3mm/s。
步骤(2)中预热的优选温度为300℃。
步骤(2)中进行完激光熔凝处理步骤后需要将待焊试件放入已加热至430～470℃的热处理炉中，随即关闭热处理炉电源，让待焊试件在炉中随炉冷却，以释放残余应力，防止待焊试件急冷急热导致裂纹产生。
焊接完毕后，可对其进行焊后退火处理，目的为去除残余应力。退火温度优选860℃，时间根据焊件大小而定。
本发明的有益效果为：
本发明通过在预连接TiAl基合金与TC4合金外侧加不锈钢保护套可以很大程度上减轻TC4合金在915℃下进行扩散连接处于超塑性状态而极易发生的塑性变形，保证了扩散连接实验的顺利进行，并获得良好的连接效果，TiAl基合金与TC4合金达到了冶金结合。
激光处理能够显著细化TiAl基合金与TC4合金晶粒，促进扩散过程进行，未经激光处理的扩散层厚度为5μm左右，而激光处理后扩散层厚度为8μm以上。
本发明通过对钛铝基合金焊前进行激光熔凝，使晶粒组织细化，改善两种材料物理、化学以及力学方面的匹配，为实施扩散焊接进行了激光表面层改性，改善了接头焊接性能。钛铝基合金/钛合金(TC4)接头常温下抗拉强度为320～380MPa，达到了钛铝基合金母材的70％～87％；400℃抗拉强度为330～400MPa，达到了钛铝基合金母材的70％～83％。
附图说明：
图1为激光处理待焊试件表面的示意图；
图2为TiAl激光表面处理后显微组织形貌；
图3为TiAl基合金与TC4合金进行扩散焊接的模型。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
钛铝基合金与钛合金(TC4)经激光熔凝后进行扩散焊接的方法，步骤如下：
(1)对钛铝基合金和钛合金(TC4)表面进行清理：先用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光，然后将母材放入丙酮溶液用超声波清洗。
(2)对钛铝基合金和钛合金(TC4)表面进行涂料涂覆。
(3)将待焊试件置于热处理炉中，预热至300℃。
(4)对待焊钛铝基合金进行激光熔凝处理，工艺参数为：功率1.2KW，扫描速度2mm/s。
(5)对待焊钛合金(TC4)进行激光熔凝处理，工艺参数为功率1.2KW，扫描速度3mm/s。
(6)将进行完激光熔凝处理的待焊试件放入已加热至450℃的热处理炉中，随即关闭热处理炉电源，让待焊试件在炉中随炉冷却。
(7)将待焊钛铝基合金和钛合金(TC4)置于不锈钢保护套中，防止钛合金(TC4)在高温下发生超塑性变形。
(8)在温度为915℃，焊接压力80MPa的条件下，对钛合金(TC4)和钛铝基合金进行扩散焊接，保持一小时。
(9)焊接完毕，取出焊接试件，随后对其进行焊后退火处理，退火温度为860℃，时间为一小时。
图1为激光处理待焊试件表面的示意图，箭头方向为激光扫描的移动方向，A面为观察面。激光束扫过一道之后形成B+C的区域，形成一道弧形的熔池，之后激光器返回，扫描第二遍时与第一遍的熔池相互叠加，B+C部分和C+D部分分别为两道电弧经过时所产生的熔池形状，其中C为两道熔凝交叠的部分，这部分组织不同于B和D的枝晶形貌(如图2A)，而呈现明显的等轴晶(如图2B)，究其原因为在第一道激光束结束后产生了枝晶组织，当第二道激光束经过时将重叠部分及B区域内的枝晶打碎，重结晶生成了等轴晶组织。
图3所示为TiAl基合金与TC4合金进行扩散焊接的模型，待焊钛铝基合金与钛合金均呈圆棒状，保护套为不锈钢管，其内径与待焊试件的直径相同，且长度大于待焊TiAl基合金棒与TC4合金棒的长度之和，待焊TiAl基合金棒与TC4合金棒装入保护套中央，保护套的两端各有一根不锈钢棒伸入保护套中，不锈钢棒的外端用夹头夹住，通过不锈钢棒向中间施力挤压待焊试件。扩散焊接时在待焊试件两侧通电，金属横截面积越小，电阻越大，同样电流下，温度则越高，在待焊试件加热的中间部位有一段均匀加热区。图3所示不锈钢保护套，使得TC4合金虽然在915℃时已经达到了超塑性，但不会发生明显变形，保证了连接样尺寸的稳定性。
按以上步骤实施获得的钛铝基合金/钛合金(TC4)接头常温下抗拉强度为320～380MPa，达到了钛铝基合金母材的70％～87％；400℃抗拉强度为330～400MPa，达到了钛铝基合金母材的70％～83％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钛铝基合金与钛合金经激光熔凝后进行扩散焊接的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)对待焊钛铝基合金和钛合金表面进行清理；
(2)将待焊钛铝基合金和钛合金预热至280～350℃，然后对待焊钛铝基合金和钛合金分别进行激光熔凝处理；
(3)将激光熔凝后的待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套中，所述保护套用于使待焊试件在扩散焊接时非焊接面不发生变形；
(4)在温度为900～930℃，焊接压力为60～90MPa的条件下，对钛合金和钛铝基合金进行扩散焊接。
2.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤(4)扩散焊接的条件为：温度为915℃，焊接压力为80MPa。
3.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：所述保护套由不锈钢材料制成。
4.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：所述钛合金为TC4钛合金。
5.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：对经过表面清理的待焊钛铝基合金和钛合金表面进行涂料涂覆。
6.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤(2)中预热的温度为300℃。
7.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤(2)中进行完激光熔凝处理后将待焊试件放入已加热至430～470℃的热处理炉中，随即关闭热处理炉电源，让待焊试件在炉中随炉冷却。
8.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：扩散焊接完毕后，取出焊接试件，对其进行焊后退火处理。
9.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述对待焊钛铝基合金进行激光熔凝处理的工艺参数为功率1.1～1.3KW，扫描速度1～3mm/s；对待焊钛合金进行激光熔凝处理的工艺参数为功率1.1～1.3KW，扫描速度2～4mm/s。
10.根据权利要求书9中所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述对待焊钛铝基合金进行激光熔凝处理的工艺参数为功率1.2KW，扫描速度2mm/s；对待焊钛合金进行激光熔凝处理的工艺参数为功率1.2KW，扫描速度3mm/s。
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