CN103173657A - Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层 - Google Patents

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陈波
熊华平
程耀永
毛唯
吴欣
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Abstract

本发明是一种Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层，其特征在于：中间层采用的合金材料为如下之一：(1)镍钛合金，该镍钛合金的化学成及原子分数比为：镍45～55%，余量为钛；(2)镍钛铌合金，该镍钛铌合金的化学成及原子分数比为：镍45～50%，铌5～15%，余量为钛；所述中间层的厚度0.05mm～2.0mm；所述中间层置于Ti3Al基合金与高温合金蜂窝之间进行钎焊连接。本发明技术方案解决使用传统钎料钎焊这两种材料时所引起的界面溶蚀、裂纹和接头强度不足等问题，同时又保证钎焊接头能够在650℃条件下长期工作。

Description

Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层
技术领域
本发明是一种Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层，属于焊接技术领域，用于Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用。
背景技术
Ti3Al基合金具有低密度、较高的弹性模量、高比强度、抗氧化及高温性能好等特点，并且其工作温度较钛合金工作温度高，因此在航空、航天、兵器等领域具有广阔的应用前景。此外，该合金还可以部分替代高温合金使构件减轻约40%，从而对提高航空发动机的推重比和航天飞行器的有效射程及有效发射载荷具有重要意义。
在Ti3Al基合金替代高温合金应用时通常需要这两类材料的连接技术，由于这两类材料的物理性能和化学成分差异大，采用常规的熔焊方法难以实现连接，因此通常采用钎焊、扩散焊等特种连接方法。
有研究者采用Ti-15Cu-15Ni、Ti-20Cu-20Ni、Ti-15Cu-25Ni三个成分钎料钎焊Ti3Al基合金，钎焊接头室温下可达与母材相似的拉伸强度，在649℃接头强度达到母材的70～80%（C.H Cadden,N.Y.C.Yang and T.H.Headley.Microstructural Evolution and MechanicalProperties of Braze Joints in Ti-13.4Al-21.2Nb.Welding ResearchSupplement,1997(8),316-s～325-s）。何鹏等采用NiCrSiB钎料在1000-1100℃/1～30min条件下进行了Ti3Al基合金的钎焊研究，其获得的接头最高剪切强度是240-250MPa（P.He,J.C.Feng,H.Zhou.Microstructure and strength of brazed joints of Ti3Al-base alloy withNiCrSiB.Materials Characterization,2004,52:309～318）。
上述是关于Ti3Al基合金自身连接的典型的研究进展，目前国内外对Ti3Al基合金与异种材料的连接研究报道很少，特别是Ti3Al基合金与高温合金这种成分及性能差别很大的异种材料组合接头的连接研究更鲜见报道。事实上，Ti3Al基合金与高温合金这种异种材料组合的连接存在着很大的技术难点，具体表现在采用常规熔焊方法或采用传统钎料进行钎焊，在连接界面都极易形成裂纹，接头强度也明显不足。对于Ti3Al基合金与高温合金蜂窝结构的连接，主要采用钎焊的连接方法，但选用钎料时，应避免钎料对两种母材的溶蚀，保证接头界面冶金质量良好，同时接头还应具备较高的室、高温强度，但目前未见成熟钎料报道。虽然存在上述焊接技术难点，但是Ti3Al基合金与高温合金这样的材料组合结构在航空、航天、兵器等领域存在着明确的应用需求，所以Ti3Al基合金与高温合金的钎焊技术是亟待解决的一项技术难题。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层，其目的是：针对Ti3Al基合金与高温合金蜂窝连接，设计一种连接用中间层，解决使用传统钎料钎焊这两种材料时所引起的界面溶蚀、裂纹和接头强度不足等问题，同时又保证钎焊接头能够在650℃条件下长期工作。
本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：
该种Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层，其特征在于：中间层采用的合金材料为如下之一：
(1)镍钛合金，该镍钛合金的化学成及原子分数比为：镍45～55%，余量为钛；
(2)镍钛铌合金，该镍钛铌合金的化学成及原子分数比为：镍45～50%，铌5～15%，余量为钛；
所述中间层的厚度0.05mm～2.0mm；
所述中间层置于Ti3Al基合金与高温合金蜂窝之间进行钎焊连接。
中间层与Ti3Al基合金之间可以选择钛基钎料进行钎焊，中间层与高温合金蜂窝之间可选择镍基钎料进行钎焊。
中间层与Ti3Al基合金之间以及与高温合金蜂窝之间能使用箔带状钎料，箔带钎料分别预置在中间层的两侧，采用工装夹具将高温合金蜂窝/镍基钎料/中间层合金/钛基钎料/Ti3Al基合金按要求装配，装配后的接头通过一次热循环完成钎焊过程，推荐的钎焊工艺参数为：钎焊温度：990～1030℃，钎焊保温时间：5～30min。
本发明技术方案的优点是：本发明中设计了Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层，中间层的成分为镍钛合金或镍钛铌合金，这两种材料均属于记忆合金，具备良好的强度和塑韧性。同时中间层成分介于Ti3Al和镍基高温合金之间，这在钎焊过程中能有效缓解Ti3Al与高温合金之间由于成分不匹配性大而造成的接头冶金质量差的问题。因此，在Ti3Al基合金与高温合金蜂窝之间填加了该中间层，可有效避免直接使用传统钛基或镍基钎料钎焊这两种材料时所引起的界面溶蚀、裂纹和接头强度不足等问题。
附图说明
图1为BNi-2和Ti-13Zr-21Cu-9Ni两种钎料对应的GH536/Ti3Al接头的显微组织照片
图2为BNi-2和Ti-13Zr-21Cu-9Ni两种钎料对应的GH536/中间层/Ti3Al接头的显微组织照片
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
以GH536/Ti3Al接头为例，采用本发明技术方案进行钎焊连接的步骤如下：
⑴中间层合金制备
镍钛合金：将纯度≥99.9%的电解镍和海绵钛按设计比例进行称量，之后采用真空电弧熔炼方法熔炼成合金锭，再采用轧制方法将合金锭轧成厚度为0.05mm～2.0mm的薄板；
镍钛铌合金：将纯度≥99.9%的电解镍、海绵钛和铌按设计比例进行称量，之后采用真空电弧熔炼方法熔炼成合金锭，再采用轧制方法将合金锭轧成厚度为0.05mm～2.0mm的薄板；
⑵焊前清洗
将被焊的高温合金蜂窝、中间层合金、钛基钎料、镍基钎料和Ti3Al基合金置于丙酮中进行超声清洗，清洗时间为10～30min，之后去离子水冲洗并烘干；
⑶焊前装配
选择0.05mm～0.15mm厚的单层或多层带状镍基钎料置于高温合金蜂窝与中间层合金之间；选择0.05mm～0.15mm厚的单层或多层带状钛基钎料置于Ti3Al基合金与中间层合金之间，采用工装夹具将高温合金蜂窝/镍基钎料/中间层合金/钛基钎料/Ti3Al基合金整个结构夹持紧，之后置入真空钎焊炉中待焊；
⑷钎焊
装配后的结构通过一次热循环完成钎焊过程，推荐的钎焊工艺参数为：钎焊温度：990～1030℃，钎焊保温时间：5～30min。
通过图1和图2的对比可以看出，图1中单纯采用镍基钎料或钛基钎料钎焊的GH536/Ti3Al接头中均出现了裂纹，接头冶金质量相对较差；而图2中采用填加中间层合金方法获得了冶金质量良好的GH536/中间层/Ti3Al接头，并且接头工作温度可达到650℃，较常规银铜钛钎料对应的GH536/Ti3Al接头的500℃使用温度有较大幅度提高。

Claims (1)

1.一种Ti3Al基合金与高温合金蜂窝钎焊连接用中间层，其特征在于：中间层采用的合金材料为如下之一：
(1)镍钛合金，该镍钛合金的化学成及原子分数比为：镍45～55%，余量为钛；
(2)镍钛铌合金，该镍钛铌合金的化学成及原子分数比为：镍45～50%，铌5～15%，余量为钛；
所述中间层的厚度0.05mm～2.0mm；
所述中间层置于Ti3Al基合金与高温合金蜂窝之间进行钎焊连接。
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