CN102554470B

CN102554470B - 钛基复合材料焊接及焊后热处理方法

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Publication number: CN102554470B
Application number: CN201210008589.0A
Authority: CN
Inventors: 吕维洁; 毛建伟; 王方秋; 王敏敏; 王立强; 覃继宁; 张荻
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102554470A

Abstract

一种钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，首先，对待焊的钛基复合材料板材进行除油、酸洗、光亮处理等表面预处理，去除母材油污、氧化物和附着物；然后，将处理后的焊件对接或搭接，采用CO₂连续激光焊接工艺焊接钛基复合材料板材，采用高纯氩气对母材焊缝进行气体保护；之后，在真空条件下，采用(950～1100)℃/(0.5～2)h+(850～1000)℃/(0.5～2)h+(400～500)℃/(1～5)h热处理制度对钛基复合材料激光焊接接头进行焊后热处理；最后，将经过热处理后的钛基复合材料激光焊接接头进行随炉冷却或空气冷却。本发明具有简单易行、焊接接头强度高、金属热损伤少和焊缝窄，适于规模化工业生产的优点。

Description

钛基复合材料焊接及焊后热处理方法

技术领域

本发明涉及金属复合材料领域，尤其涉及钛基复合材料的二次加工技术领域，具体涉及一种钛基复合材料焊接及焊后热处理方法。

背景技术

随着高科技和国防军工发展的需要，钛基复合材料(TMCs)，尤其是颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)以其高比强度、比刚度和良好的抗高温性能，在国防、宇航、电器仪表等领域有着广阔应用前景，成为超高音速宇航飞行器发动机的候选材料，在气体涡轮机发动机风扇叶片、飞机起落架、飞机构架结构、汽车工业等方面具有良好的工程应用前景。

颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)的制备和加工工艺、界面特性、性能评价和实验方法等方面开展了大量富有成效的研究工作。然唯有PTMCs焊接性和焊接工艺的研究远落后于其它方面的研究，严重制约该类材料的应用发展。一种新材料只有被加工成结构件才具有真正的实用价值，其广泛应用肯定会涉及到其焊接连接问题，而有时甚至焊接是唯一的加工手段。就单一的钛合金来说，常规各种焊接工艺都是广泛应用的效率高、成本效益好的加工方法，但对于TMCs，其由成分、结构和性能相差很大的金属和非金属材料复合而成，它们之间的物化相容性较差，因此，与基体相比，TMCs的焊接性有很大的差异，困难较大。

从70年代开始研究TMCs材料，国外主要研究了航天飞机用连续纤维增强金属基复合材料的焊接问题，已取得工程上的成功应用。但在如何简化工艺、提高效率、降低成本和扩大应用领域等方面仍有待进一步研究，焊接仍是TMCs材料的难题之一。而对PTMCs材料的焊接性研究则更少。

经对现有技术文献的检索发现，国外专家学者对纤维增强钛基复合材料的熔焊法和固态连接法等工艺进行诸多尝试。Hirose等(Diffusion bonding of SiC fiber reinforcedTi-6Al-4V alloy，Mat.Sci.and Tech.，1992，8(9)：811-815)研究以未强化合金作为中间层扩散焊连接40SiC％(纤维)强化的Ti-6Al-4V钛合金焊接性。Paul等申请了“Friction StirWelding ofMetal Matrix Composites”(专利号：US20080156846A1)，该方法解决了纤维增强金属基复合材料焊接的界面问题，获得高质量的焊接接头。Baeslack等(CapacitorDischarge Resistance Spot Welding of SiC Fiber-Reinforced Ti-6Al-4V.Welding Journal，October 1993：479-491)采用电容放电点焊成功地连接了35％SiC_f/Ti-6Al-4V钛合金。Antonio等(Mechanical and Metallurgical Properties of Friction-Welded TiC ParticulateReinforced Ti-6Al-4V， Composites Science and Technology，2004，64：1495-1501)研究了惯性摩擦焊对钛基复合材料(10％TiC/Ti-6Al-4V)的影响规律与机制。

由上述可以看出，目前比较成熟的也仅仅是连续长纤维增强钛基复合材料的焊接，而这种复合材料的焊接，实际上主要是复合材料外层基体与基体之间的连接，并非复合材料之间的连接。并且，上述焊接工艺，无论是扩散焊连接，电容放电焊，还是摩擦焊，都存在工艺复杂的缺点，对焊接接头形式或尺寸有特殊要求，其应用适用性受到限制，焊接接头性能达不到使用要求，至今还没有成功用于工业批量生产的报道。而国内主要集中在铝基复合材料或钛合金方面的焊接工艺研究，尚未看到有钛基复合材料，尤其是非连续增强钛基复合材料焊接研究的相关报道。另外，虽然惰性气体保护氩弧焊(GTAW)工艺在钛基复合材料的焊接应用方面也得到了有益的尝试，但其所得到的焊缝熔宽和热影响区宽度较宽，对母材的损伤程度较大，力学机械性能等不能满足工程上对材料连接的要求。迄今为止，人们还未找到一种行之有效的焊接方法用于钛基复合材料实际结构的连接之中。Burke等申请了“Method for laser beam welding metal matrixcomposite components”(专利号US4803334)，该方法用激光焊接填充焊丝的工艺解决了复合材料焊缝成份的均匀性的问题，但该工艺焊接接头强度不高，过程复杂，不利于工程化需要的技术问题。

综上，目前对钛基复合材料的焊接研究多集中在固态非熔化焊工艺方法，且未涉及钛基复合材料焊后接头热处理工艺，未发现钛基复合材料激光焊接接头焊后热处理工艺的报道。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种减少焊缝熔宽和热影响区宽度，并提高颗粒增强钛基复合材料焊接接头综合性能的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法。

为实现上述的目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，采用两个待焊的钛基复合材料焊件对接或搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头焊接，包括以下步骤：

(1)对待焊的钛基复合材料板材进行除油、酸洗、光亮处理等焊前表面预处理，去除母材油污、氧化物和附着物；

(2)将步骤(1)预处理后的焊件对接或搭接，采用CO₂连续激光焊接工艺焊接钛基复合材料板材，采用高纯氩气对母材焊缝正反面进行气体保护；

(3)在真空条件下，采用(950～1100)℃/(0.5～2)h+(850～1000)℃/(0.5～2)h+(400～500)℃/(1～5)h热处理制度对钛基复合材料激光焊接接头进行焊后热处理；

(4)将经过热处理后的钛基复合材料激光焊接接头进行随炉冷却或空气冷却。

依照本发明所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，步骤(1)中的钛基复合材料板材包括增强体，增强体为TiB、TiC和稀土氧化物颗粒中的一种或多种。

依照本发明所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，步骤(1)中的钛基复合材料板材为两边等厚的板材，且其厚度为0.5～3.0mm。

依照本发明所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，步骤(1)中的除油剂为QTA-300型，其与水配比为1∶10～1∶30，溶液温度为50℃。

依照本发明所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，步骤(1)中的酸洗在室温下用质量浓度为40％的氢氟酸、质量浓度为70％的硝酸和质量浓度为40％的盐酸配比成的混合溶液中进行，且三者的浓度按体积比计算分别为：氢氟酸(0.2～2.0)％∶硝酸(6～20)％∶盐酸(25～50)％，浸泡时间为8～20min；

依照本发明所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，步骤(1)中的光亮处理在在用质量浓度为70％的硝酸和质量浓度为40％的氢氟酸配比成的混合溶液中进行，且二者的浓度按体积比计算分别为：硝酸(15～45)％∶氢氟酸(2～8)％，光亮处理时间为：3～10min，溶液温度在45℃～70℃。

依照本发明所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，步骤(2)中激光焊接工艺参数为：连续激光功率为1000～3000W，焊接速度为0.2～5.0m/min，离焦量为(-2.5～-0.5)mm，保护气体氩气流量为：正反面气体流量10～35L/min，尾拖罩气体流量5～30L/min。

本发明的方法在焊接过程中仅采用两个待焊的钛基复合材料板材对接或者搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头的焊接，焊接接头的室温抗拉强度不低于母材强度的93.4％。与现有技术相比，本发明具有简单易行、焊接接头强度高、与母材强度接近，对焊接接头形式、焊件尺寸、焊接位置等工艺适应性强的优点。另外，激光焊接能量密度高，焊缝窄，热影响区小，对母材的热损伤小，室温塑性相对较好。同时，采用的热处理工艺有效提高激光焊接接头的综合性能。本发明对钛基复合材料的工程规模化应用奠定技术基础，起到推动作用，可用于工业批量生产，适于规模化工业生产的需要，具有较高的工程应用价值，有效解决了制约钛基复合材料应用发展的连接技术问题，应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明钛基复合材料焊接及焊后热处理方法的流程原理图。

具体实施方式：

以下结合附图并列举实施例对本发明的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法作进一步描述。实例仅为了进一步说明本发明，并不限制本发明内容。

请参阅图1，一种钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，采用两个待焊的钛基复合材料焊件对接或搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头的焊接，包括以下步骤：

S11：对待焊的钛基复合材料板材进行除油、酸洗、光亮处理等焊前表面预处理，去除母材油污、氧化物和附着物。

在本发明中，钛基复合材料板材为非连续增强钛基复合材料，具体为颗粒增强钛基复合材料。钛基复合材料包括基体和增强体，基体是各种钛及钛合金，增强体为TiB、TiC和稀土氧化物颗粒中的一种或多种。且上述的板材为两边等厚的板材，其厚度为0.5～3.0mm。

上述的除油剂为QTA-300型，其与水配比为1∶10～1∶30，溶液温度为50℃。酸洗在室温下以氢氟酸(0.2～2.0)％∶硝酸(6～20)％∶盐酸(25～50)％比例配成的混合酸溶液中进行，浸泡时间为12min；光亮处理在以硝酸(15～45)％∶氢氟酸(2～8)％比例配成的混合酸溶液中进行，处理时间为：3～10min，溶液温度在45～70℃。

S12：将步骤S11预处理后的焊件对接或搭接，采用CO₂连续激光焊接工艺焊接钛基复合材料板材，施以高纯氩气对母材焊缝正反面进行气体保护。

激光焊接工艺参数为：连续激光功率为1000～3000W，焊接速度为0.2～5.0m/min，离焦量为(-2.5～-0.5)mm，保护气体氩气流量为：正反面气体流量10～35L/min，尾拖罩气体流量5～30L/min。

S13：在真空条件下，采用(950～1100)℃/(0.5～2)h+(850～1000)℃/(0.5～2)h+(400～500)℃/(1～5)h热处理制度对钛基复合材料激光焊接接头进行焊后热处理。

S14：将经过热处理后的钛基复合材料激光焊接接头进行随炉冷却或空气冷却。

以下分别列举实施例对本发明进一步说明：

实施例1

将0.5mm厚的2％TiB/Ti-6Al-4V钛基复合材料板材加工成200×120mm焊件，焊前板材须进行焊前表面预处理，用QTA-300型除油剂，其与水配比为1∶10，温度为50℃，温水冲洗，烘干；然后板材在室温下的0.2％HF+8％HNO₃+32％HC混合溶液中酸洗12min，再在45℃的25％HNO₃+2％HF溶液中进行光亮处理，处理时间为3min，然后冲洗，烘干。将处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为10L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为5L/min，激光功率为1000W，焊接速度为1.2m/min，离焦量为-2.5mm，实现钛基复合材料的激光焊焊接，最后将焊件在950℃/0.5h+850℃/1h+400℃/1h条件下进行真空热处理。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度R_m＝910.8MPa，达到母材钛基复合材料强度的93.5％。

实施例2

将1.0mm厚的6％(TiB+TiC)/Ti-3Al-2Mo-2Zr钛基复合材料板材加工成200×120mm焊件，焊前对板材进行焊前表面预处理，用QTA-300型除油剂，其与水的配比为1∶15，温度为50℃，冲洗，烘干；然后板材在室温下的0.5％HF+6％HNO₃+35％HCl混合溶液中酸洗10min，再在50℃的35％HNO₃+2％HF溶液中进行光亮处理，处理时间为5min，然后冲洗，烘干。将处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为15L/min，尾拖罩气体流量为10L/min，激光功率为1400W，焊接速度为2.4m/min，离焦量为-1.5mm，实现钛基复合材料的激光焊焊接，最后将焊件在980℃/1h+900℃/1h+430℃/1.5h条件下进行真空热处理。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度R_m＝862.3MPa，达到母材钛基复合材料强度的94.3％。

实施例3

将1.5mm厚的4％(TiB+Y₂O₃)/Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V钛基复合材料板材加工成200×120mm焊件，焊前板材须进行焊前表面预处理，用QTA-300型除油剂，其与水的配比为1∶20，温度为50℃，冲洗，烘干；然后板材在室温下的1.0％HF+10％HNO₃+45％HCl混合溶液中酸洗15min，再在65℃的45％HNO₃+4％HF溶液中进行光亮处理，处理时间为8min，然后冲洗，烘干。将处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行保护，气体流量为22L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为14L/min，激光功率为2000V，焊接速度为3.0cm/min，离焦量为-1.0mm，实现钛基复合材料的激光焊焊接，最后将焊件在1000℃/1.5h+850℃/1.5h+450℃/2.5h条件下进行真空热处理。拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度R_m＝1140.5MPa，达到母材钛基复合材料强度的93.8％。

实施例4

将2.0mm厚的6％(TiB+TiC+Y₂O₃)/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo钛基复合材料板材线切割加工成200×120mm焊件，焊前对板材进行焊前表面预处理，用QTA-300型除油剂，其与水的配比为1∶20，温度为50℃，温水冲洗，烘干；然后板材在室温下的1.5％HF+15％HNO₃+45％HCl混合酸溶液中酸洗15min，再在60℃的40％HNO₃+4％HF混合溶液中进行光亮处理，处理时间为5min，然后清水冲洗，烘干。将表面预处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为20L/min，尾拖罩中氩气保护气体流量为23L/min，激光功率为电压为2500V，焊接速度为3.6m/min，离焦量为-0.5mm，实现钛基复合材料的激光焊焊接，将焊件在1050℃/2h+950℃/1.5h+450℃/3.5h条件下进行真空热处理。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度R_m＝1138.5MPa，达到母材钛基复合材料强度的94.2％。

实施例5

将3.0mm厚的10％(TiB+TiC+Nd₂O₃)/Ti-3Al-1Mo-1Zr-1Ni钛基复合材料板材加工成200×120mm焊件，焊前对板材进行焊前表面预处理，用QTA-300型除油剂，其与水的配比为1∶25，温度为50℃，清水冲洗，烘干；然后板材在室温下的2％HF+20％HNO₃+50％HCl混合溶液中酸洗10min，再在55℃的40％HNO₃+2％HF溶液中进行光亮处理，处理时间为6min，然后冲洗，烘干。将表面处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为27L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为20L/min，激光功率为3000W，焊接速度为4.5m/min，离焦量为-0.5mm，实现钛基复合材料的激光焊焊接，将焊件在1070℃/1.5h+900℃/1.0h+500℃/4.5h条件下进行真空热处理。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度R_m＝847.4MPa，达到母材钛基复合材料强度的94.5％。、

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，所述钛基复合材料为非连续增强钛基复合材料，采用两个待焊的钛基复合材料焊件对接或搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头焊接，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将步骤(1)预处理后的焊件对接或搭接，采用CO2连续激光焊接工艺焊接钛基复合材料板材，采用高纯氩气对母材焊缝正反面进行气体保护；

(4)将经过热处理后的钛基复合材料激光焊接接头进行随炉冷却或空气冷却；

所述的钛基复合材料板材包括增强体，所述增强体为TiB、TiC和稀土氧化物颗粒中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的钛基复合材料板材为两边等厚的板材，且其厚度为0.5～3.0mm。

3.根据权利要求1所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的酸洗在室温下用质量浓度为40％的氢氟酸、质量浓度为70％的硝酸和质量浓度为40％的盐酸配比成的混合溶液中进行，且三者的浓度按体积比计算分别为：氢氟酸(0.2～2.0)％：硝酸(6～20)％：盐酸(25～50)％，浸泡时间为8～20min。

4.根据权利要求1所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的光亮处理在用质量浓度为70％的硝酸和质量浓度为40％的氢氟酸配比成的混合溶液中进行，且二者的浓度按体积比计算分别为：硝酸(15～45)％：氢氟酸(2～8)％，光亮处理时间为：3～10min，溶液温度在45℃～70℃。

5.根据权利要求1所述的钛基复合材料焊接及焊后热处理方法，其特征在于，步骤(2)中激光焊接工艺参数为：连续激光功率为1000～3000W，焊接速度为0.2～5.0m/min，离焦量为(-2.5～-0.5)mm，保护气体氩气流量为：正反面气体流量10～35L/min，尾拖罩气体流量5～30L/min。