CN103204694A - 一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，本发明涉及连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本发明要解决TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷难于连接的问题。方法：一、切割；二、打磨、抛光、清洗；三、装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的装配件；四、完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。本发明成功实现了TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达103.6MPa。本发明用于采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷。
Description
技术领域
本发明涉及连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
背景技术
TiAl基合金作为一种金属间化合物材料，具有高比强度和高比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时具有良好的抗蠕变及抗氧化性能。因此，TiAl基合金的发展一直受到世界各国研究者的关注和重视，成为航空航天领域极具竞争力的材料，具有重要的工程化应用前景。
TiAl基合金的实际应用必然涉及到自身及与其他构件的连接。国内为研究者已对TiAl基合金的连接问题开展了一系列的研究工作。目前，关于TiAl基合金的连接技术的研究主要集中在电子束焊、激光焊、自蔓延高温合成反应焊、钎焊和扩散焊等方面。有关熔化焊的研究表明，TiAl基合金存在两个较为突出的问题：一是具有热裂倾向，二是焊缝区与经过热机械处理等工艺得到的基体组织不同，表现出较低的力学性能。因此，对于低延性的TiAl基合金采用熔化焊方法进行连接其焊接性较差，尤其是与异种材料的连接时更为突出。采用扩散焊等固态连接方法时可以控制热循环，能够设计出复合TiAl基合金特点的连接工艺参数，从而改善连接质量。
Ti3AlC2陶瓷是新型三元层状陶瓷材料的一种，因其具有优异性能成为近年来国内为众多材料学者研究的热点。它既具有金属的性能，有良好的导热性能和导电性能，有较低的Viskers硬度，像金属一样可以进行机械加工，同时又具有陶瓷的性能，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性能。这些优异性能使其具有广阔的应用前景。
尽管Ti3AlC2陶瓷具有上述优越的综合性能，但是制备高纯度、高致密度的块体材料非常困难，当需要较大尺寸或者复杂形状的Ti3AlC2陶瓷构件时，需要通过连接的手段将较小尺寸及形状简单的Ti3AlC2陶瓷实现可靠的连接。另外考虑到Ti3AlC2陶瓷的优异性能，不可避免的需要与其他材料进行连接，以充分发挥其潜在价值。
鉴于TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的综合优异性能，将两种材料连接到一起制备成复合构件，可以充分发挥两者的性能优势，特别是在航空航天等高温结构零部件制造等方向，具有极大的应用前景。到目前为止，国内外还没有关于TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷连接的文献报道。
发明内容
本发明要解决TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷难于连接的问题，而提供一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具体是按照以下步骤完成的：
一、将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷；
二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛光，再将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗5min～10min；
三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面之间，装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为25μm～150μm，Ni箔的厚度为25μm～150μm；
四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加20MPa～40MPa的压力，当真空加热炉真空度达到(1.3～2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min～40℃/min，升温至800℃～900℃，然后保温30min～120min，再控制冷却速度为5℃/min～10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
本发明步骤三中装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的结构，使Zr箔位于靠近TiAl基合金侧，Ni箔位于靠近Ti3AlC2陶瓷侧。通过Zr、Ni与TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷中元素的相互反应和扩散，实现了可靠的连接。
本发明的有益效果是：
本发明选用Zr箔与Ni箔作为复合中间层材料，能够实现接头的连接。首先，Ni通过与TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷中的Ti和Al等反应，形成了化合物，实现了连接，其次，Zr与Ni反应生成Zr-Ni化合物，消耗了一部分的Ni，降低了Ni与其他元素反应生成脆性的金属间化合物的倾向，从一定程度上提高的接头的力学性能。
本发明采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷，通过控制扩散连接温度（800～900℃）和保温时间（30～120min），以控制反应层的厚度和接头中反应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达103.6MPa。
本发明TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的成功连接，将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接件用于高温结构的航空零部件，能有效提高现有器件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，具有极大的应用前景。
本发明用于采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷。
附图说明
图1为实施例一获得的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的接头界面组织结构的背散射电子照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具体是按照以下步骤完成的：
一、将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷；
二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛光，再将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗5min～10min；
三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面之间，装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为25μm～150μm，Ni箔的厚度为25μm～150μm；
四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加20MPa～40MPa的压力，当真空加热炉真空度达到(1.3～2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min～40℃/min，升温至800℃～900℃，然后保温30min～120min，再控制冷却速度为5℃/min～10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
本实施方式采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷，通过控制扩散连接温度（800～900℃）和保温时间（30～120min），以控制反应层的厚度和接头中反应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达103.6MPa。
本实施方式TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的成功连接，将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接件用于高温结构的航空零部件，能有效提高现有器件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，具有极大的应用前景。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中Zr箔的厚度为50μm～100μm，Ni箔的厚度为50μm～100μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中Zr箔的厚度为80μm，Ni箔的厚度为80μm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中施加30MPa的压力。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中真空加热炉真空度达到1.5×10-3Pa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中控制升温速度为30℃/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中升温至850℃。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中保温50min～100min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中保温60min。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中冷却速度为8℃/min。其它与具体实施方式一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具体是按照以下步骤完成的：
一、将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷，其中，待连接的TiAl基合金尺寸为20mm×8mm×2mm、Ti3AlC2陶瓷尺寸为4mm×4mm×3mm；
二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛光，再将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗8min；
三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面之间，装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为80μm，Ni箔的厚度为80μm；
四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加30MPa的压力，当真空加热炉真空度达到1.5×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为30℃/min，升温至850℃，然后保温60min，再控制冷却速度为8℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
本实施例获得的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的扩散连接接头界面组织结构的背散射电子照片如图1所示，由图1可以看出，采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷，实现了TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的可靠连接。经测试，接头的室温平均剪切强度达到103.6MPa。
Claims (10)
1.一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，具体是按照以下步骤完成的：
一、将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷用线切割，得到待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷；
二、将步骤一得到的待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面采用砂纸打磨后抛光，再将TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面放入丙酮中超声清洗5min～10min；
三、将Zr箔和Ni箔置于待连接的TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的连接面之间，装配成TiAl基合金/Zr箔/Ni箔/Ti3AlC2陶瓷的装配件，其中Zr箔的厚度为25μm～150μm，Ni箔的厚度为25μm～150μm；
四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加20MPa～40MPa的压力，当真空加热炉真空度达到(1.3～2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min～40℃/min，升温至800℃～900℃，然后保温30min～120min，再控制冷却速度为5℃/min～10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即完成采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法。
2.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤三中Zr箔的厚度为50μm～100μm，Ni箔的厚度为50μm～100μm。
3.根据权利要求2所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤三中Zr箔的厚度为80μm，Ni箔的厚度为80μm。
4.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中施加30MPa的压力。
5.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中真空加热炉真空度达到1.5×10-3Pa。
6.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中控制升温速度为30℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中升温至850℃。
8.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中保温50min～100min。
9.根据权利要求8所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中保温60min。
10.根据权利要求1所述的一种采用Zr/Ni复合中间层扩散连接TiAl基合金和Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于步骤四中冷却速度为8℃/min。
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| CN103204694B (zh) | 2014-04-02 |
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