CN102990219B - 一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，该扩散焊方法成功地解决了大尺寸Ti2AlNb材料结构的焊接问题，对大尺寸结构难焊接材料提供了更广阔的解决途径；该方法采用两个定位环，对第一毛坯件和第二毛坯件以及第二毛坯件和第三毛坯件的连接面进行定位，可有效避免在对结构件焊接过程中出现对接不精确的问题；通过在3个毛坯件的连接面上加工凸台，避免使燃烧室结构件在焊接过程中因强大压力产生较大塌陷，从而影响燃烧室结构件形状；此外，加工凸台还能提高焊接强度；通过在结构件中心设置承力柱和第二毛坯件的下端面边缘设置支撑柱，可避免因扩散焊时对第一毛坯件上端面的较大压强而导致结构件坍塌的可能。
Description
技术领域
本发明涉及焊接工艺技术领域，具体涉及一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法。
背景技术
在产品加工制造过程中，对不同部件进行焊接是常见的保证强度及设计结构的一种工艺方法。对于大多数材料，都可通过熔化焊技术完成焊接。如图1所示，为某型航天发动机燃烧室的重要承力结构件的结构示意图，由于该结构件尺寸较大，采用Ti2AlNb合金加工而成，不适于采用传统的方法加工，因此在实际工程实现上，通常考虑将该结构件分成几个部分，将各部分加工成型后焊接而成，在产品加工制造过程中，对不同部件进行焊接是常见的保证强度及设计结构的一种工艺方法。对于大多数材料，都可通过熔化焊技术完成焊接。Ti2AlNb金属间化合物具有较高的比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力以及较好的抗氧化性、无磁性等优点，但其显微组织和力学性能对焊接加工具有敏感性，对焊接过程加热和冷却速度要求严格，焊接参数范围比较窄，焊缝及热影响区的组织复杂，如果采用传统的熔化焊技术容易出现裂纹和气孔等缺陷。尤其针对Ti2AlNb金属间化合物大尺寸结构件，目前缺乏相关工程经验，导致结构件焊缝质量不达标，难以正常使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，能够实现对大尺寸Ti2AlNb合金材料的发动机燃烧室加工和扩散焊接。
本发明的一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，包括如下步骤：
步骤1、根据发动机燃烧室结构件的外形结构和尺寸，选用圆柱状的Ti2AlNb合金材料的第一毛坯件（1）、第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）作为加工燃烧室结构件的原材料；再根据发动机燃烧室结构件的内腔结构和尺寸，对第一毛坯件（1）、第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）分别进行挖空处理，使挖空后的第一毛坯件（1）、第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）从上到下依次叠放后形成具有初步结构和形状的燃烧室结构件；
步骤2、在第二毛坯件（2）的上端面和下端面分别加工一个圆形凸台，两个圆形凸台的外径分别与第一毛坯件和第二毛坯件的外径一致；分别在第一毛坯件（1）的下端面、第二毛坯件（2）的两个圆形凸台上和第三毛坯件（3）的上端面加工大小一致的同轴圆环形的凸台，凸台的高度为0.2mm-0.8mm；
步骤3、分别对组成燃烧室结构件的第一毛坯件（1）、第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）之间的连接面进行抛光处理，保证每个连接面的粗糙度在Ra0.8以下；然后再对每个连接面进行酸化处理，其中采用的酸洗配方中溶液的体积比为：HNO3:HF:H2O=6:1:12；
步骤4、对燃烧室结构件进行定位工装，具体方法为：
将第一毛坯件（1）、第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）从上到下依次同轴叠放，组成燃烧室结构件；采用两个钛合金材料加工的定位环（4）分别套装在第一毛坯件（1）和第二毛坯件（2）连接处的外圆上以及第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）连接处的外圆上；
采用包括承力柱（6）、支撑柱（7）和承力平台（5）的承力结构作为燃烧室结构件的支撑平台，其中呈圆环形的支撑柱（7）置于承力平台（5）上；承力柱（6）与支撑柱（7）同轴置于支撑柱（7）的圆环内，将固定好的燃烧室结构件置于承力平台（5）上，使支撑柱（7）处于第二毛坯件（2）下端面下方， 且两者间隙大小与燃烧室结构件经扩散焊后的压缩量一致；使承力柱（6）处于燃烧室结构件的空腔中，保证承力柱（6）的上端面低于第一毛坯件（1）的上端面的距离大小与燃烧室结构件经扩散焊后的压缩量一致；
所述承力柱（6）和支撑柱（7）均由石墨材料加工而成；
步骤5、将承力平台（5）和其上的燃烧室结构件放置于扩散焊炉中，对第一毛坯件（1）、第二毛坯件（2）和第三毛坯件（3）进行扩散焊接，具体方法为：
在扩散焊炉的真空度保持4×10-5Pa条件下，将扩散焊炉内的温度升至350℃，并保温60分钟；继续升温至800℃，并保温180分钟后，继续升温，当温度达到900℃时，对第一毛坯件（1）的上端面施加20Mpa的垂直作用力并保持；将扩散焊炉的真空度提高到7×10-5Pa并保持，继续升温至980℃，保温240分钟；控制扩散焊炉停机，使燃烧室结构件随扩散焊炉自然降温降压。
所述支撑柱（7）与第二毛坯件（2）下端面之间的间隙大小为2mm-4mm。
所述承力柱（6）的上端面低于第一毛坯件（1）的上端面的距离大小为2mm-4mm。
在所述第二毛坯件（2）与第三毛坯件（3）连接处的外圆上，加工一个环形凹槽，所述凹槽深度能卡住定位环（4）。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明公开的扩散焊方法成功地解决了大尺寸Ti2AlNb材料结构的焊接问题，对大尺寸结构难焊接材料提供了更广阔的解决途径；
2）通过采用两个定位环，对第一毛坯件和第二毛坯件以及第二毛坯件和第三毛坯件的连接面进行定位，可有效避免在对结构件焊接过程中出现对接不精确的问题；
3）通过在3个毛坯件的连接面上加工凸台，避免使燃烧室结构件在焊接过程中因强大压力产生较大塌陷，从而影响燃烧室结构件形状；此外，加工凸台还能提高焊接强度；
4）通过在结构件中心设置承力柱和第二毛坯件的下端面边缘设置支撑柱，可避免因扩散焊时对第一毛坯件上端面的较大压强而导致结构件坍塌的可能；同时，支撑柱低于第一毛坯件上端面，当结构件因压力被压缩后，压力仍能作用在结构件上。
附图说明
图1为现有技术中某型航天器发动机燃烧室用于支撑的结构件的结构示意图。
图2(a)为加工该燃烧室结构件的3个毛坯件的结构示意图，图2(b)为按照燃烧室的尺寸要求对3个毛坯件进行挖空处理后的结构示意图。
图3(a)为第一毛坯件的结构示意图，其中的局部放大图图3(b)显示的第一毛坯件下端面上加工的凸台。
图4(a)为第二毛坯件的结构示意图，其中的两个局部放大图图4(b)和图4(c)分别显示的第二毛坯件上、下端面上加工的圆形凸台和圆环形的凸台。
图5(a)为第三毛坯件的结构示意图，其中的局部放大图图5（b）显示的第三毛坯件上端面上加工的凸台。
图6为由3个毛坯件叠放形成的燃烧室结构件的示意图。
图7为对进行定位工装的燃烧室结构件放入扩散焊炉后的示意图。
图8为对燃烧室结构件的扩散焊接的控制过程图。
其中，1-第一毛坯件，2-第二毛坯件，3-第三毛坯件，4-定位环，5-承力平台，6-承力柱，7-支撑柱。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，包括如下步骤：
步骤1、如图2（a）和（b）所示，根据发动机燃烧室结构件的外形结构和尺寸，选用圆柱状的Ti2AlNb合金材料的第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3作为加工燃烧室结构件的原材料，再根据发动机燃烧室结构件的内腔结构和尺寸，对第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3分别进行挖空处理，使挖空后的第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3从上到下依次叠放后形成具有初步结构形状的燃烧室结构件；
步骤2、如图3、4和5所示，在第二毛坯件2的上端面和下端面分别加工一个圆形凸台，两个圆形凸台的外径分别与第一毛坯件1和第二毛坯件2的外径一致；分别在第一毛坯件1的下端面、第二毛坯件2的两个圆形凸台上和第三毛坯件3的上端面加工大小一致的同轴圆环形的凸台，凸台的高度为0.2mm-0.8mm；
步骤3、分别对形成燃烧室结构件的第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3之间的连接面进行抛光处理，保证每个连接面的粗糙度在Ra0.8以下；然后再对每个连接面进行酸化处理，其中采用的酸洗配方中溶液的体积比为：HNO3:HF:H2O=6:1:12；
步骤4、对燃烧室结构件进行定位工装，具体方法为：
如图6所示，将第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3从上到下依次同轴叠放，组成燃烧室结构件；
如图7所示，为了使三个毛坯件在对齐叠放并保持一定对齐精度，采用两个钛合金材料加工的定位环4套装在第一毛坯件1和第二毛坯件2连接处的外 圆上以及第二毛坯件2和第三毛坯件3连接处的外圆上，定位环4的宽度要保证覆盖住连接面上的凸台外圆与毛坯件外圆之间形成的圆环槽；
采用包括承力柱6、支撑柱7和承力平台5的承力结构作为燃烧室结构件的支撑平台，其中呈圆环形的支撑柱7置于承力平台5上方；承力柱6与支撑柱7同轴置于支撑柱7的圆环内，将固定好的燃烧室结构件置于承力平台5上，使支撑柱7处于第二毛坯件2下端面下方，在扩散焊接过程中，燃烧室结构件会有一定程度的塌陷，支撑柱7对第二毛坯件2靠近外侧的下端面进行支撑，防止地二毛坯件2变形，因此第二毛坯件2下端面与支撑柱7之间的间隙大小与燃烧室结构件经扩散焊后的压缩量一致，经过计算结合经验，取值为2mm-4mm；使采用承力柱6处于燃烧室结构件的空腔中，当压力作用在第一毛坯件1后，燃烧室结构件在压力和温度作用下逐渐压缩，最终第一毛坯件1的上端面与承力柱6齐平，压力作用在承力柱6上，不再对燃烧室结构件进行挤压。为使承力柱6的高度合适，保证承力柱6的上端面低于第一毛坯件1的上端面的距离大小与燃烧室结构件经扩散焊后的压缩量一致，经过计算结合经验，取值为2mm-4mm；
承力柱6和支撑柱7均由石墨材料加工而成；
步骤5、将承力平台5和其上的燃烧室结构件放置于扩散焊炉中，对第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3进行扩散焊接，具体方法为：
如图8所示，在扩散焊炉的真空度保持4×10-5Pa条件下，将扩散焊炉内的温度升至350℃，并保温60分钟；继续升温至800℃，并保温180分钟后，继续升温，当温度达到900℃时，对第一毛坯件1的上端面施加20Mpa的垂直作用力，并保持；将扩散焊炉的真空度提高到7×10-5Pa并保持，继续升温至980℃，保温240分钟；控制扩散焊炉停机，使燃烧室结构件随扩散焊炉自然降温降压。
上述过程中，在大压力和高温作用下，3个毛坯件的Ti2AlNb合金材料处于超塑料状态，则连接面上凸台中的原子互相扩散，则两个凸台互相进入，最后完全进入对方，则凸台周围的连接面开始进入，并进入一定距离，由此将毛坯件的连接面焊接在一起。加工凸台的好处有两个，一是避免使燃烧室结构件在焊接过程中因强大压力产生较大塌陷，影响燃烧室结构件形状；二是由于凸台先扩散连接，后连接面扩散连接，凸台互相进入量比不加工凸台的进入量要大，因此可提高焊接强度。
为了防止固定第二毛坯件2和第三毛坯件3的定位环4向下滑落，在第二毛坯件2与第三毛坯件3连接处的外圆上，加工一个环形凹槽，可将定位环4卡住。为了保证定位环4覆盖连接处的第二毛坯件2与第三毛坯件3的外圆，该环形凹槽也应该延伸至第二毛坯件2与第三毛坯件3的外圆。
扩散焊接后的燃烧室结构件再经过精加工后即得到工程需要的发动机的燃烧室结构件。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据发动机燃烧室结构件的外形结构和尺寸，选用圆柱状的Ti2AlNb合金材料的第一毛坯件(1)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)作为加工燃烧室结构件的原材料；再根据发动机燃烧室结构件的内腔结构和尺寸，对第一毛坯件(1)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)分别进行挖空处理，使挖空后的第一毛坯件(1)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)从上到下依次叠放后形成具有初步结构和形状的燃烧室结构件；
步骤2、在第二毛坯件(2)的上端面和下端面分别加工一个圆形凸台，两个圆形凸台的外径分别与第一毛坯件和第三毛坯件的外径一致；分别在第一毛坯件(1)的下端面、第二毛坯件(2)的两个圆形凸台上和第三毛坯件(3)的上端面加工大小一致的同轴圆环形的凸台，凸台的高度为0.2mm-0.8mm；
步骤3、分别对组成燃烧室结构件的第一毛坯件(1)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)之间的连接面进行抛光处理，保证每个连接面的粗糙度在Ra0.8以下；然后再对每个连接面进行酸化处理，其中采用的酸洗配方中溶液的体积比为：HNO3:HF:H2O＝6:1:12；
步骤4、对燃烧室结构件进行定位工装，具体方法为：
将第一毛坯件(1)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)从上到下依次同轴叠放，组成燃烧室结构件；采用两个钛合金材料加工的定位环(4)分别套装在第一毛坯件(1)和第二毛坯件(2)连接处的外圆上以及第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)连接处的外圆上；
采用包括承力柱(6)、支撑柱(7)和承力平台(5)的承力结构作为燃烧室结构件的支撑平台，其中呈圆环形的支撑柱(7)置于承力平台(5)上；承力柱(6)与支撑柱(7)同轴置于支撑柱(7)的圆环内，将固定好的燃烧室结构件置于承力平台(5)上，使支撑柱(7)处于第二毛坯件(2)下端面下方，且两者间隙大小与燃烧室结构件经扩散焊后的压缩量一致；使承力柱(6)处于燃烧室结构件的空腔中，保证承力柱(6)的上端面低于第一毛坯件(1)的上端面的距离大小与燃烧室结构件经扩散焊后的压缩量一致；
所述承力柱(6)和支撑柱(7)均由石墨材料加工而成；
步骤5、将承力平台(5)和其上的燃烧室结构件放置于扩散焊炉中，对第一毛坯件(1)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)进行扩散焊接，具体方法为：
在扩散焊炉的真空度保持4×10-5Pa条件下，将扩散焊炉内的温度升至350℃，并保温60分钟；继续升温至800℃，并保温180分钟后，继续升温，当温度达到900℃时，对第一毛坯件(1)的上端面施加20Mpa的垂直作用力并保持；将扩散焊炉的真空度提高到7×10-5Pa并保持，继续升温至980℃，保温240分钟；控制扩散焊炉停机，使燃烧室结构件随扩散焊炉自然降温降压。
2.如权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，其特征在于，所述支撑柱(7)与第二毛坯件(2)下端面之间的间隙大小为2mm-4mm。
3.如权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，其特征在于，承力柱(6)的上端面低于第一毛坯件(1)的上端面的距离大小为2mm-4mm。
4.如权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金材料的燃烧室结构件的扩散焊工艺方法，其特征在于，在第二毛坯件(2)与第三毛坯件(3)连接处的外圆上，加工一个环形凹槽，所述凹槽深度能卡住定位环(4)。
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