CN103317225A

CN103317225A - 一种用于tc18钛合金的真空扩散连接方法

Info

Publication number: CN103317225A
Application number: CN2013102023677A
Authority: CN
Inventors: 唐斌; 寇宏超; 王川云; 李金山; 王军; 张铁邦
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CN103317225B

Abstract

一种用于TC18钛合金的真空扩散连接方法，在实施扩散连接时，通过合理控制实施扩散连接参数，并对得到的连接后的TC18钛合金固溶试样实施组织演化控制，实现了TC18钛合金扩散连接与热处理工艺相互耦合，在获得高界面连接质量的同时实现钛合金母材的固溶处理，调整显微组织中初生α相的含量。通过控制炉冷温度，在合金亚稳β相中析出次生α相，同时钛合金连接试样界面附近元素进一步扩散，显微组织演化完全形成冶金结合，从而获得优良综合力学性能匹配和高连接强度。测试表明，TC18钛合金扩散连接接头抗拉强度不低于1000MPa、冲击韧性不低于30J/cm²且断面收缩率不低于15%，具有良好的综合力学性能匹配。

Description

一种用于TC18钛合金的真空扩散连接方法

技术领域

本发明涉及钛合金固态焊接领域，具体是一种用于控制显微组织的TC18钛合金扩散连接方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、中温性能好等诸多优点，是制备航空航天工业所需先进复杂结构件的重要材料之一，而扩散连接技术是复杂整体结构件的重要成形手段，在满足结构设计和制造要求的同时兼有提高材料利用率等优势，因而国内外学者均对钛合金扩散连接技术进行了研究。

北京航空材料研究院在公开号为CN101392363A的专利中提出了一种低温真空扩散连接钛合金的方法，该方法采用磁控溅射手段在试样表面溅射纳米级膜层，促进界面处的元素扩散，降低扩散连接温度，成功获得了TA15、TC4扩散连接接头。然而，由于磁控溅射镀膜受到设备、靶材等诸多因素的限制，成本较高且有尺寸限制，难以在工业制造过程中得到应用。

文献“Microstructures and interfacial quality of diffusion bonded TC21 titanium alloyjoints,Hui-jie LIU,Xiu-li FENG.Trans.Nonferrous Met.Soc.China21(2011)58-64”对TC21钛合金在不同扩散温度下显微组织的演化情况进行了研究，并给出了优化的扩散连接温度值，但是并未继续探讨扩散连接工艺对TC21钛合金母材显微组织的影响和由此引起的性能变化，更未涉及组织与性能控制技术。

Douglas Joseph在其公开号为GB2280867的专利中给出了一种钛合金扩散连接方法和相应的模具和设备，该方法在温度不低于850℃、压力不低于20MPa或温度在900～950℃之间，试验压力在20～30MPa之间的条件下实现钛合金扩散连接，而该方法不适用于TC18等近β钛合金的扩散连接，在获得高连接质量的同时无法获得具备优良综合力学性能匹配的钛合金显微组织。

韩华在其公开号为CN101028750A的专利中公开了一种钛合金蜂窝板的设计与制造方法，在其制造过程中，并未涉及到对扩散连接后钛合金构件显微组织的调控，这表明钛合金扩散连接构件制造技术在构件性能调控方面尚未发展完善。

TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，相变点为870℃，900℃下应变速率为0.1s^-1时变形抗力为100MP，应变速率为1s^-1时变形抗力为155MPa。该合金属于近β型钛合金，相较其它钛合金而言，其相变温度较低、显微组织热稳定性弱，在较高温度下进行扩散连接时极易造成母材与接头的组织粗化，导致材料性能恶化，但扩散连接温度过低导致接头的连接质量降低，因此，选取能够获取高连接质量的近β钛合金扩散连接温度难度大，限制了TC18钛合金扩散连接技术的发展。此外，在整体构件制造中，材料的热处理与连接是两道工序，实现过程中存在一定程度的矛盾：采用热处理后材料进行连接，造成材料组织在连接过程中发生恶化，从而影响构件性能；而连接后对整体构件进行热处理以调整构件材料组织性能，技术难度高并易造成构件变形，消耗人力、能源。上述缺点限制了扩散连接在钛合金重要结构件制造过程中的应用。

发明内容

为了解决TC18钛合金真空扩散连接过程中的组织控制问题，本发明给出了一种用于TC18钛合金的真空扩散连接方法。

本发明的具体过程是：

步骤1：试样待连接表面的处理。对各试样表面进行打磨，使待连接表面呈现镜面效果；将试样浸入丙酮中超声波除油处理1h，并置于丙酮中保存；

步骤2：钛合金锻态试样的固溶与扩散连接。将待连接试样组合后放入真空扩散焊机内实施扩散连接；在实施扩散连接时，对真空扩散焊机炉腔抽真空至真空度为5×10^-3Pa～7×10^-3Pa时，以5～30℃/min的升温速率使真空扩散焊机炉腔温度升至800～850℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加5～20MPa的轴向压力并保持1～2h，加压中保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa～7×10^-3Pa以下，并保持真空扩散焊机炉腔温度为800～850℃；得到连接在一起的TC18钛合金固溶试样。

步骤3：实施组织演化控制。继续保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa以下，并保持对连接试样施加的5～20MPa的轴向压力；使位于真空扩散焊机内的TC18钛合金试样随炉冷却并在740～760℃保温1～2h。保温结束后继续使所述TC18钛合金试样随炉冷却至550～650℃后保温2～4h；保温结束后使TC18钛合金试样随炉冷却至室温。

由于采取的上述技术方案，本发明获得了以下有益效果：

1、在扩散连接过程中，元素扩散系数随扩散连接温度的上升而提高，因而钛合金扩散连接界面连接质量也随着扩散连接温度的上升而提高。本发明首先在钛合金相变点以下20～70℃条件下进行扩散连接，有效保证了高连接质量（无孔洞）界面的获得，弱化界面影响，为随后界面组织演化提供有利条件。

2、TC18等近β钛合金相变温度较低、显微组织热稳定性弱，在较高温度下进行扩散连接时极易造成母材与接头的组织状态（相形态与含量）偏离材料最终热处理状态，影响构件性能。为解决此类合金扩散连接与热处理之间的矛盾，并获得兼有高连接质量和优良力学性能的TC18钛合金扩散连接件，本发明实现了TC18钛合金扩散连接与热处理工艺相互耦合。首先使TC18钛合金锻态试样在钛合金相变点以下20～70℃条件下进行扩散连接，在获得高界面连接质量的同时实现钛合金母材的固溶处理，调整显微组织中初生α相的含量；随后将钛合金连接试样炉冷至740～760℃并进行保温，对显微组织中的α相进行稳定化处理；最后将钛合金连接试样炉冷至550～650℃并进行保温，合金亚稳β相中析出次生α相，与此同时，钛合金连接试样界面附近元素进一步扩散，显微组织演化完全形成冶金结合，通过对工艺参数（保温温度、时间）的择可控制α相的含量和形态和连接界面演化程度，从而获得优良综合力学性能匹配和高连接强度。两中工艺过程相互渗透，不能简单机械分开。

3、本发明工艺曲线如附图1所示，分析可知，本发明耦合了钛合金扩散连接与组织性能热处理控制工艺，能够在单次工艺过程中，实现钛合金扩散连接和组织控制，有效降低能源、人力成本；同时，工艺过程中施加低于合金流变应力的轴向压应力可避免材料在热处理过程中的变形。这表明本发明适用于钛合金整体构件制造过程。

4、本发明所得到的扩散连接接头显微组织如附图2所示，附图3所示，通过常规扩散连接工艺制备的接头显微组织对比，可发现本发明制备扩散连接接头界面消失，组织演化完全，初生、次生α相弥散分布，力学性能测试表明，具备该种显微组织的TC18钛合金扩散连接接头抗拉强度不低于1000MPa、冲击韧性不低于30J/cm²且断面收缩率不低于15%，具有良好的综合力学性能匹配。

附图说明

图1是本发明的工艺曲线图。

图2是本发明得到的TC18钛合金扩散连接接头显微组织照片。

图3是采用现有技术获取的TC18钛合金扩散连接接头显微组织照片，其扩散连接温度为750℃。压力为5MPa、时间为40min。

图4是本发明的流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种能够控制显微组织的TC18钛合金真空扩散连接方法。在本实施例中，采用本专利提出的扩散连接方法对2片尺寸为Φ12×3的TC18钛合金锻态试样圆柱底面进行连接，在保证良好连接效果的同时，获得α相（含初生、次生α相）弥散分布的显微组织，使连接件具有良好的综合力学性能匹配。为避免材料热处理对本方法试验结果的影响，采用煅态TC18钛合金进行试验。

具体过程是：

步骤1：试样待连接表面的处理。依次采用240#、400#、600#、800#、1000#、1500#和2000#SiC水砂纸对各试样表面进行打磨，消除待连接表面的明显划痕后采用1.5#、0.5#金刚石研磨膏进行机械抛光，使待连接表面呈现镜面效果，随后将试样浸入丙酮中超声波除油处理1h，并置于丙酮中保存；

步骤2：钛合金锻态试样的固溶与连接。将待连接试样组合后放入真空扩散焊机内。TC18钛合金的相变点为870℃。根据TC18钛合金的相变点，确定为800～850℃为扩散连接温度。本实施例中，扩散连接温度为850℃。

对于TC18钛合金，在实施扩散连接时，对真空扩散焊机炉腔真空度抽至为5×10^-3Pa～7×10^-3Pa时，以5～30℃/min的升温速率使真空扩散焊机炉腔温度升至800～850℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加5～20MPa的轴向压力并保持1～2h，加压中保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa～7×10^-3Pa以下，并保持真空扩散焊机炉腔温度为800～850℃。在800～850℃保温的同时，TC18钛合金试样经历固溶处理，得到连接在一起的TC18钛合金固溶试样。

本实施例中，真空扩散焊机的真空度为5×10^-3Pa，真空扩散焊机炉腔温度以30℃/min的升温速率升至850℃，对连接试样施加的轴向压力为20MPa，并保持1h。

步骤3：对连接在一起的TC18钛合金固溶试样实施组织演化控制。所述对连接在一起的TC18钛合金试样的组织演化控制是在真空扩散焊机中实施，具体过程是：

继续保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa以下，并保持对连接试样施加的5～20MPa的轴向压力。关闭加热源，使真空扩散焊机炉腔温度降至740～760℃后保温1～2h，同时位于真空扩散焊机内的TC18钛合金试样随炉冷却并在740～760℃保温1～2h。保温结束后继续使真空扩散焊机炉腔温度降至550～650℃后保温2～4h，同时位于真空扩散焊机内的TC18钛合金试样随炉冷却并在550～650℃保温2～4h。保温结束后使真空扩散焊机内的温度降至室温，同时位于真空扩散焊机内的TC18钛合金试样随炉冷却至室温。

本实施例中，保持真空扩散焊机石墨压头对试样施加的轴向压力为20MPa并保持真空扩散焊机的真空度在5×10^-3Pa以下，将扩散连接试样自800℃炉冷却至750℃并保温1h；保温结束后继续炉冷至550℃并保温2h，最终随炉冷却至室温后，卸压并开炉取样，得到具有初生、次生α相弥散分布显微组织的TC18钛合金连接试样。

对得到的TC18钛合金连接试样沿垂直于连接界面方向切取试样并观察界面处显微组织。本实施例中界面显微组织如附图2所示，通过与附图3所示试样界面对比可知，采用该方法获得的TC18钛合金扩散连接接头连接界面消失、显微组织中弥散分布初生、次生α相，力学性能测试表明，具备该种显微组织的TC18钛合金扩散连接接头抗拉强度不低于1000MPa、冲击韧性不低于30J/cm²且断面收缩率不低于15%，具有良好的综合力学性能匹配，表明接头具有高的连接质量与优良的综合力学性能匹配。

本发明还提出了实施例2～3。

所述实施例2～3的工艺过程与实施例1的工艺过程相同，但所采用的工艺参数不同。表1给出了不同实施例中的工艺参数。

表1TC18钛合金不同实施例中的工艺参数

注：各实施例中步骤1均相同，故省略。

Claims

1.一种用于TC18钛合金的真空扩散连接方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1：试样待连接表面的处理；对各试样表面进行打磨，使待连接表面呈现镜面效果；将试样浸入丙酮中超声波除油处理1h，并置于丙酮中保存；

步骤2：钛合金锻态试样的固溶与扩散连接；将待连接试样组合后放入真空扩散焊机内实施扩散连接；在实施扩散连接时，对真空扩散焊机炉腔抽真空至真空度为5×10^-3Pa～7×10^-3Pa时，以5～30℃/min的升温速率使真空扩散焊机炉腔温度升至800～850℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加5～20MPa的轴向压力并保持1～2h，加压中保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa～7×10^-3Pa以下，并保持真空扩散焊机炉腔温度为800～850℃；得到连接在一起的TC18钛合金固溶试样；

步骤3：实施组织演化控制；继续保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa以下，并保持对连接试样施加的5～20MPa的轴向压力；使位于真空扩散焊机内的TC18钛合金试样随炉冷却并在740～760℃保温1～2h；保温结束后继续使所述TC18钛合金试样随炉冷却至550～650℃后保温2～4h；保温结束后使TC18钛合金试样随炉冷却至室温。