CN103862161A

CN103862161A - 一种连接铝基复合材料与钛合金的方法

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Publication number: CN103862161A
Application number: CN201410098690.9A
Authority: CN
Inventors: 李卓然; 冯广杰; 朱洪羽; 张健; 梁广省; 刘羽
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: CN103862161B

Abstract

一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，它涉及一种连接复合材料与合金的方法。本发明是要解决现有连接方法存在温度高，高温使用性能的优点完全丧失，粉末间并无液相产生，反应较弱，同时接头中残余了大量的未反应颗粒，性能较低的问题。方法：一、制备混合粉末；二、制备中间层压坯；三、连接，即完成铝基复合材料与钛合金的连接。本发明产生液相并诱发Al与Ti的放热反应，在很低的温度下就能实现连接，中间层各粉末间反应完全，无残余颗粒存在，接头组织均匀及性能稳定，接头具有一定的高温性能，接头质量好。本发明可用于一种连接铝基复合材料与钛合金的方法。

Description

一种连接铝基复合材料与钛合金的方法

技术领域

本发明涉及一种连接复合材料与合金的方法。

背景技术

复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，按照基体材料的不同，可分为金属基复合材料和非金属基复合材料。铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。得益于增强相的作用，铝基复合材料在接近基体熔点时仍能保持一定的刚性，这就使得其较铝合金具有了一定的高温使用性能。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一，已成功应用于航天飞机、战斗机的机身框架和哈勃望远镜的天线支架等。然而，由于成本及可靠性方面考虑，整体采用铝基复合材料是不现实的，其往往用于重要部件并和其它材料（如钛合金）结合使用，因此，必然涉及到连接问题。

由于铝基复合材料中铝基体的熔点较低，而且在温度较高时增强相和铝基体间过于严重的界面反应会显著降低复合材料的性能。因此，它对焊接温度的选择就较为严格。目前，铝基复合材料多采用铝基钎料进行钎焊连接。常规的钎焊连接温度集中在550℃左右，在焊接碳纤维增强铝基复合材料时，仍会使碳纤维与铝基体发生相当严重的界面反应，使母材性能下降。同时，钎料对铝基体的溶解较为严重，会削弱界面处基体与增强相的结合；钎缝中低熔点钎料会使铝基复合材料高温使用性能的优点完全丧失。专利CN102554449A和专利CN102658368A均公开了一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，利用钛粉、铝粉、纳米碳粉、锡粉和铜粉间及铝粉、镍粉和氧化铜粉间的放热反应在500℃时进行连接。然而，两种方法中，粉末间并无液相产生，反应较弱，同时接头中残余了大量的未反应颗粒，性能较低。

发明内容

本发明是要解决现有连接方法存在温度高，高温使用性能的优点完全丧失，粉末间并无液相产生，反应较弱，同时接头中残余了大量的未反应颗粒，性能较低的问题，而提供一种连接铝基复合材料与钛合金的方法。

一种连接铝基复合材料与钛合金的方法具体是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量份数称取28份～32份铝粉、48份～52份钛粉、8份～12份铜粉、3份～7份硅粉和3份～7份锗粉，混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为(5～10):1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以300r/min～500r/min的速度球磨2h～3h，得到混合粉末；

二、制备中间层压坯：将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60%～80%且厚度为1mm～3mm的中间层压坯，密封保存；

三、连接：将铝基复合材料、步骤二制得的中间层压坯和钛合金依次叠置，得到装配件，将装配件置于真空炉内，在压力为4MPa～6MPa下，将真空炉加热置470℃～490℃，然后在压力为4MPa～6MPa及温度为470℃～490℃下，保温5min～10min，最后自然冷却，即完成铝基复合材料与钛合金的连接。

本发明的优点：一、本发明制备的粉末中间层利用Al、Cu、Si和Ge间的共晶反应产生液相并诱发Al与Ti的放热反应，在很低的温度下就能实现连接，不会恶化铝基复合材料的性能，很好的保持了铝基复合材料的各种优良特性。二、采用本发明中的中间层对铝基复合材料与钛合金进行连接，中间层各粉末间反应完全，无残余颗粒存在，接头组织均匀及性能稳定。三、采用本发明的中间层对铝基复合材料与钛合金进行连接，接头中存在大量的高熔点组织，能使接头具有一定的高温性能。四、采用本方法连接铝基复合材料与钛合金，中间层与两侧母材达到了良好的冶金结合，接头质量好，强度可达59MPa以上。本发明可用于一种连接铝基复合材料与钛合金的方法。

附图说明

图1为试验中碳纤维增强铝基复合材料与TiAl合金的焊缝扫描电镜图；其中，图中右侧为碳纤维增强铝基复合材料，中间为反应后的中间层压坯，左侧为TiAl合金。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，具体是按以下步骤完成的：

本实施方式步骤一中所述的球料质量比为磨球质量与铝粉、钛粉、铜粉、硅粉和锗粉的总质量之比。

步骤二所述的相对密度是在20℃测得的相对密度。

本实施方式采用自制的粉末中间层，由Al粉、Ti粉、Cu粉、Si粉和Ge粉按一定的重量配比组成，压制成1mm～2mm厚的圆柱体，放置在铝基复合材料与钛合金之间，装配成“三明治”式结构，放入真空炉中加热，同时施加一定的压力，加热到一定的温度时，实现连接。实验利用自制粉末中间层中的Al粉、Ti粉间的剧烈放热反应，部分熔化与中间层接触的铝基复合材料与钛合金，使二者发生冶金结合，实现连接。本实验利用粉末中间层反应进行连接可分为两个阶段：首先利用Al、Cu、Si和Ge间的共晶反应使中间层中出现低熔点共晶液相（约471℃），进而增加Al原子的活性，共晶液相包裹在Ti颗粒周围，增大与Ti颗粒的接触面积；然后，Ti与Al发生反应Ti+Al=TiAl，放出大量的热，使中间层体系温度迅速升高，局部熔化两侧母材，达到连接的效果。在此加热温度下，铝基体与增强相的界面反应较弱，不会影响铝基复合材料的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。同时，中间层中出现了大量的液相，各粉末间的反应完全，接头中无残余颗粒。中间层的主要生成物TiAl的熔点较高，能使接头具有一定的高温性能，使铝基复合材料的优点得到了很好的发挥。

本实施方式的优点：一、本实施方式制备的粉末中间层利用Al、Cu、Si和Ge间的共晶反应产生液相并诱发Al与Ti的放热反应，在很低的温度下就能实现连接，不会恶化铝基复合材料的性能，很好的保持了铝基复合材料的各种优良特性。二、采用本实施方式中的中间层对铝基复合材料与钛合金进行连接，中间层各粉末间反应完全，无残余颗粒存在，接头组织均匀及性能稳定。三、采用本实施方式的中间层对铝基复合材料与钛合金进行连接，接头中存在大量的高熔点组织，能使接头具有一定的高温性能。四、采用本实施方式连接铝基复合材料与钛合金，中间层与两侧母材达到了良好的冶金结合，接头质量好，强度可达59MPa以上。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的铝粉的目数为325目～1000目。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：步骤一中所述的钛粉的目数为325目～1000目。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至三之一不同的是：步骤一中所述的铜粉的目数为325目～1000目。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的硅粉的目数为325目～1000目。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的锗粉的目数为325目～1000目。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中利用半自动的液压机器将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60%～80%且厚度为1mm～3mm的中间层压坯，密封保存。其它与具体实施方式一至六之一相同。

本实施方式使用半自动液压机，采用轴向压力为500MPa～700MPa的压力将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60%～80%且厚度为1mm～3mm的中间层压坯。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三所述的铝基复合材料为碳纤维增强铝基复合材料。其它与具体实施方式一至七之一相同。

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：步骤三所述的钛合金为TiAl合金。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至九之一不同的是：步骤三中将铝基复合材料、步骤二制得的中间层压坯和钛合金依次叠置，得到装配件，将装配件置于真空炉内，在压力为5MPa下，将真空炉加热置480℃，然后在压力为5MPa及温度为480℃下，保温10min，最后自然冷却，即完成铝基复合材料与钛合金的连接。其它与具体实施方式一至九之一相同。

采用下述试验验证本发明的效果：

试验：一种连接铝基复合材料与钛合金的方法具体是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量份数称取30份铝粉、50份钛粉、10份铜粉、5份硅粉和5份锗粉，混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为5:1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以400r/min的速度球磨2h，得到混合粉末；

二、制备中间层压坯：将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为70%且厚度为1mm的中间层压坯，密封保存；

三、连接：将铝基复合材料、步骤二制得的中间层压坯和钛合金依次叠置，得到装配件，将装配件置于真空炉内，在压力为5MPa下，将真空炉加热置480℃，然后在压力为5MPa及温度为480℃下，保温10min，最后自然冷却，即完成铝基复合材料与钛合金的连接。

本试验步骤一中所述的铝粉的目数为325目；所述的钛粉的目数为325目；所述的铜粉的目数为325目；所述的硅粉的目数为325目；所述的锗粉的目数为325目。

本试验步骤一中所述的球料质量比为磨球质量与铝粉、钛粉、铜粉、硅粉和锗粉的总质量之比。

本试验步骤二所述压制是利用半自动的液压机器进行的，具体操作为使用半自动液压机，采用轴向压力为600MPa的压力将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为70%且厚度为1mm的中间层压坯。

本试验步骤三所述的铝基复合材料为碳纤维增强铝基复合材料；步骤三所述的钛合金为TiAl合金。

图1为试验中碳纤维增强铝基复合材料与TiAl合金的焊缝扫描电镜图；其中，图中右侧为碳纤维增强铝基复合材料，中间为反应后的中间层压坯，左侧为TiAl合金。由图可知，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，采用电子万能试验机Instron-5500R(1186)进行剪切试验，接头强度可达59.3MPa。

Claims

1.一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于一种连接铝基复合材料与钛合金的方法具体是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量份数称取28份～32份铝粉、48份～52份钛粉、8份～12份铜粉、3份～7份硅粉和3份～7份锗粉，混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为(5～10)∶1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以300r／min～500r／min的速度球磨2h～3h，得到混合粉末；

二、制备中间层压坯：将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～3mm的中间层压坯，密封保存；

2.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的铝粉的目数为325目～1000目。

3.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的钛粉的目数为325目～1000目。

4.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的铜粉的目数为325目～1000目。

5.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的硅粉的目数为325目～1000目。

6.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的锗粉的目数为325目～1000目。

7.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤二中利用半自动的液压机器将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～3mm的中间层压坯，密封保存。

8.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤三所述的铝基复合材料为碳纤维增强铝基复合材料。

9.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤三所述的钛合金为TiAl合金。

10.根据权利要求1所述的一种连接铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于步骤三中将铝基复合材料、步骤二制得的中间层压坯和钛合金依次叠置，得到装配件，将装配件置于真空炉内，在压力为5MPa下，将真空炉加热置480℃，然后在压力为5MPa及温度为480℃下，保温10min，最后自然冷却，即完成铝基复合材料与钛合金的连接。