CN104759752B - 一种高效率焊接TiAl合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种高效率焊接TiAl合金的方法，它涉及一种焊接TiAl合金的方法。本发明的目的是为了解决现有钎焊TiAl合金造成接头高温软化，扩散焊和电子束焊接TiAl合金效率低下的问题。制备方法：一、制备混合粉末；二、制备中间层压坯；三、表面处理；四、激光引燃，完成TiAl合金的焊接。本发明提出了一种高效率焊接TiAl合金的方法，操作简单，用时短，并能克服TiAl合金焊接接头高温软化问题，获得高温性能优良的接头；本发明中间层压坯与两侧母材达到了良好的冶金结合，接头质量好，强度可达207.8MPa。本发明可获得一种高效率焊接TiAl合金的方法。

Description

一种高效率焊接TiAl合金的方法

技术领域

本发明涉及一种焊接TiAl合金的方法。

TiAl合金是一种新兴的金属间化合物结构材料，合金中主要相为γ-TiAl。TiAl合金继承了金属间化合物高熔点、高硬度的特点，同时又具有较低的密度和较高的弹性模量。通过合金元素的加入，能够使TiAl合金的抗氧化性和高温强度得到较大的提高。相对于传统的高温合金，TiAl合金具有较高的比强度和弹性模量，综合性能指标优于高温合金；同时TiAl合金具有较高的韧性，远高于陶瓷高温材料。因此，TiAl合金在航空航天中具有较好的发展前景，在高推重比先进军用飞机发动机高压压气机以及低压涡轮叶片研制中被当做首选材料。由于发动机、叶片以及其它一些高温部件的结构复杂性，在制造过程中很难一次性完成。一般情况下，复杂构件的制造分为若干部分，通过连接的方式进行组合。因此，不可避免的遇到TiAl合金的焊接问题。目前，TiAl合金的焊接主要集中在钎焊、扩散焊、电子束焊等方法。在TiAl合金的钎焊过程中，由于使用的钎料熔点低于TiAl合金的熔点，因此会造成TiAl钎焊接头的高温软化问题，不能充分发挥TiAl合金性能优点。扩散焊和电子束焊能够将TiAl合金接头的高温软化问题降至较低的水平，但是其装配及焊接流程需要经历较长的时间，效率较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有钎焊TiAl合金造成接头高温软化，扩散焊和电子束焊接TiAl合金效率低下的问题，而提供一种高效率焊接TiAl合金的方法。

一种高效率焊接TiAl合金的方法，是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量分数称取25份～30份铝粉、55份～60份镍粉和10份～20份铌粉；将称取的25份～30份铝粉、55份～60份镍粉和10份～20份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为200r/min～300r/min的条件下球磨1h～2h，得到混合粉末；

二、制备中间层压坯：把步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为85％～95％且厚度为1～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、表面处理：将TiAl合金表面分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸和#800砂纸逐层打磨至TiAl合金表面光滑平整，得到打磨后的TiAl合金；将打磨后的TiAl合金放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，得到处理后的TiAl合金；

四、将步骤二得到的相对密度为85％～95％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加4MPa～6MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，利用中间层压坯自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。

本发明的原理：

本发明中采用的自制的中间层压坯，由Al粉、Ni粉和Nb粉按一定的重量配比组成，压制成1～2mm厚的圆柱体，放置在TiAl合金之间，装配成“三明治”式结构，同时施加4MPa～6MPa的压力，采用激光加热5～8s引燃，利用中间层的快速放热实现TiAl合金的焊接；本发明中的中间层压坯可以在激光的加热下发生燃烧，中间层压坯中发生强放热反应：Ni+Al+Nb→NiAl+NiAlNb；根据热力学理论计算，本发明中的中间层压坯燃烧时的绝热温度可达1654℃，高于TiAl的熔点，因此在焊接过程中可以局部熔化TiAl合金，形成冶金结合；同时中间层压坯生成NiAl+NiAlNb共晶组织，并处于熔融状态，在外加压力的作用下，可排出中间层压坯的孔隙，形成致密的组织；另外，由于NiAl相脆性较大，接头中单一的NiAl相会增加接头的脆性，不利于获得高强度接头；本发明中的中间层压坯组成元素为Ni、Al和Nb，在中间层压坯燃烧的过程中，形成NiAl+NiAlNb共晶组织；Nb元素同时作为一种合金元素可以少量固溶于NiAl相中，降低NiAl相的脆性，进而增强接头的韧性，提高TiAl合金接头的强度；本发明中的中间层燃烧产物为NiAl+NiAlNb共晶组织，NiAl、NiAlNb相熔点均高于TiAl合金，因此不会发生高温软化，可以提高TiAl合金接头的高温性能。

本发明的优点：

一、本发明提出了一种高效率焊接TiAl合金的方法，操作简单，用时短，并能克服TiAl合金焊接接头高温软化问题，获得高温性能优良的接头；

二、相对于TiAl合金的钎焊、扩散焊、电子束焊，本发明不需要整体加热，不需要复杂的装配和操作，焊接成本低，效率高；

三、采用本发明中的中间层压坯对TiAl合金进行焊接，TiAl合金在中间层压坯的快速放热下发生局部熔化，形成良好的冶金结合；

四、采用本发明的中间层压坯对TiAl合金进行焊接，接头中形成NiAl+NiAlNb共晶组织，接头致密无孔隙，NiAl、NiAlNb熔点高于TiAl合金，不会发生接头的高温软化，能充分发挥TiAl合金的高温性能；

五、采用本发明的中间层压坯焊接TiAl合金，中间层压坯中的Nb一方面生成NiAlNb与NiAl形成共晶组织，另一方面少量固溶到NiAl中，降低NiAl相的脆性，增强接头的韧性，提高TiAl合金接头的强度，中间层压坯与两侧母材达到了良好的冶金结合，接头质量好，强度可达207.8MPa。

附图说明

图1为具体实施方式一高效率焊接TiAl合金的方法示意图；

图2为试验一得到的TiAl合金接头的焊缝扫描电镜图，其中，图中左右两侧为TiAl合金，中间为反应后的中间层压坯。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种高效率焊接TiAl合金的方法是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量分数称取25份～30份铝粉、55份～60份镍粉和10份～20份铌粉；将称取的25份～30份铝粉、55份～60份镍粉和10份～20份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为200r/min～300r/min的条件下球磨1h～2h，得到混合粉末；

二、制备中间层压坯：把步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为85％～95％且厚度为1～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、表面处理：将TiAl合金表面分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸和#800砂纸逐层打磨至TiAl合金表面光滑平整，得到打磨后的TiAl合金；将打磨后的TiAl合金放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，得到处理后的TiAl合金；

四、将步骤二得到的相对密度为85％～95％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加4MPa～6MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，利用中间层压坯自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。

图1为具体实施方式一高效率焊接TiAl合金的方法示意图。

本实施方式的原理：

本实施方式中采用的自制的中间层压坯，由Al粉、Ni粉和Nb粉按一定的重量配比组成，压制成1～2mm厚的圆柱体，放置在TiAl合金之间，装配成“三明治”式结构，同时施加4MPa～6MPa的压力，采用激光加热5～8s引燃，利用中间层的快速放热实现TiAl合金的焊接；本实施方式中的中间层压坯可以在激光的加热下发生燃烧，中间层压坯中发生强放热反应：Ni+Al+Nb→NiAl+NiAlNb；根据热力学理论计算，本实施方式中的中间层压坯燃烧时的绝热温度可达1654℃，高于TiAl的熔点，因此在焊接过程中可以局部熔化TiAl合金，形成冶金结合；同时中间层压坯生成NiAl+NiAlNb共晶组织，并处于熔融状态，在外加压力的作用下，可排出中间层压坯的孔隙，形成致密的组织；另外，由于NiAl相脆性较大，接头中单一的NiAl相会增加接头的脆性，不利于获得高强度接头；本实施方式中的中间层压坯组成元素为Ni、Al和Nb，在中间层压坯燃烧的过程中，形成NiAl+NiAlNb共晶组织；Nb元素同时作为一种合金元素可以少量固溶于NiAl相中，降低NiAl相的脆性，进而增强接头的韧性，提高TiAl合金接头的强度；本实施方式中的中间层燃烧产物为NiAl+NiAlNb共晶组织，NiAl、NiAlNb相熔点均高于TiAl合金，因此不会发生高温软化，可以提高TiAl合金接头的高温性能。

本实施方式的优点：

一、本实施方式提出了一种高效率焊接TiAl合金的方法，操作简单，用时短，并能克服TiAl合金焊接接头高温软化问题，获得高温性能优良的接头；

二、相对于TiAl合金的钎焊、扩散焊、电子束焊，本实施方式不需要整体加热，不需要复杂的装配和操作，焊接成本低，效率高；

三、采用本实施方式中的中间层压坯对TiAl合金进行焊接，TiAl合金在中间层压坯的快速放热下发生局部熔化，形成良好的冶金结合；

四、采用本实施方式的中间层压坯对TiAl合金进行焊接，接头中形成NiAl+NiAlNb共晶组织，接头致密无孔隙，NiAl、NiAlNb熔点高于TiAl合金，不会发生接头的高温软化，能充分发挥TiAl合金的高温性能；

五、采用本实施方式的中间层压坯焊接TiAl合金，中间层压坯中的Nb一方面生成NiAlNb与NiAl形成共晶组织，另一方面少量固溶到NiAl中，降低NiAl相的脆性，增强接头的韧性，提高TiAl合金接头的强度，中间层压坯与两侧母材达到了良好的冶金结合，接头质量好，强度可达207.8MPa。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的铝粉的目数≥325目。其他步骤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之一不同点是：步骤一中所述的镍粉的目数≥325目。其他步骤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点是：步骤一中所述的铌粉的目数≥325目。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

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点是：步骤四中所述的在压力为4MPa～6MPa下将激光的光斑对准中间层压坯进行加热的时间为5s～8s。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

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点是：步骤一中按重量分数称取25份～28份铝粉、58份镍粉和14份铌粉；将称取的25份～28份铝粉、58份镍粉和14份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为200r/min～250r/min的条件下球磨1h～1.5h，得到混合粉末。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

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点是：步骤一中按重量分数称取28份～30份铝粉、58份～60份镍粉和14份～20份铌粉；将称取的28份～30份铝粉、58份～60份镍粉和14份～20份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为250r/min～300r/min的条件下球磨1.5h～2h，得到混合粉末。其他步骤与具体实施方式一至六相同。

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点是：步骤二中把步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为90％～95％且厚度为1mm～1.5mm的中间层压坯，密封保存。其他步骤与具体实施方式一至七相同。

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点是：步骤四中将步骤二得到的相对密度为90％～95％且厚度为1mm～1.5mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加4MPa～5MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，利用中间层压坯自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。其他步骤与具体实施方式一至八相同。

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点是：步骤四中将步骤二得到的相对密度为90％～95％且厚度为1mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加5MPa～6MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层引燃后，立即关闭激光器，利用中间层自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：一种高效率焊接TiAl合金的方法是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量分数称取28份铝粉、58份镍粉和14份铌粉；将称取的28份铝粉、58份镍粉和14份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为250r/min的条件下球磨1.5h，得到混合粉末；

二、制备中间层压坯：把步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为90％且厚度为1mm的中间层压坯，密封保存；

三、表面处理：将TiAl合金表面分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸和#800砂纸逐层打磨至TiAl合金表面光滑平整，得到打磨后的TiAl合金；将打磨后的TiAl合金放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，得到处理后的TiAl合金；

四、将步骤二得到的相对密度为90％且厚度为1mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加4MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯，加热5s引燃中间层压坯，立即关闭激光器，利用中间层压坯自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。

本试验中步骤一中所述的TiAl合金的成分为Ti-48Al-7V-0.3Y(at.％)；

图2为试验一得到的TiAl合金接头的焊缝扫描电镜图，其中，图中左右两侧为TiAl合金，中间为反应后的中间层压坯。

由图2可知，中间层压坯与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，试验一中接头强度可达207.8MPa。

Claims (7)

1.一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于一种高效率焊接TiAl合金的方法是按以下步骤完成的：

一、制备混合粉末：按重量分数称取25份～30份铝粉、55份～60份镍粉和10份～20份铌粉；将称取的25份～30份铝粉、55份～60份镍粉和10份～20份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为200r/min～300r/min的条件下球磨1h～2h，得到混合粉末；

步骤一中所述的铝粉的目数≥325目；

步骤一中所述的镍粉的目数≥325目；

步骤一中所述的铌粉的目数≥325目；

二、制备中间层压坯：把步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为85％～95％且厚度为1～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、表面处理：将TiAl合金表面分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸和#800砂纸逐层打磨至TiAl合金表面光滑平整，得到打磨后的TiAl合金；将打磨后的TiAl合金放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，得到处理后的TiAl合金；

四、将步骤二得到的相对密度为85％～95％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加4MPa～6MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，利用中间层压坯自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。

2.根据权利要求1所述的一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于步骤四中所述的在压力为4MPa～6MPa下将激光的光斑对准中间层压坯进行加热的时间为5s～8s。

3.根据权利要求1所述的一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于步骤一中按重量分数称取25份～28份铝粉、58份镍粉和14份铌粉；将称取的25份～28份铝粉、58份镍粉和14份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为200r/min～250r/min的条件下球磨1h～1.5h，得到混合粉末。

4.根据权利要求1所述的一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于步骤一中按重量分数称取28份～30份铝粉、58份～60份镍粉和14份～20份铌粉；将称取的28份～30份铝粉、58份～60份镍粉和14份～20份铌粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为10:1的比例放入磨球，再在氩气气氛和球磨速度为250r/min～300r/min的条件下球磨1.5h～2h，得到混合粉末。

5.根据权利要求1所述的一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于步骤二中把步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为90％～95％且厚度为1mm～1.5mm的中间层压坯，密封保存。

6.根据权利要求1所述的一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于步骤四中将步骤二得到的相对密度为90％～95％且厚度为1mm～1.5mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加4MPa～5MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，利用中间层压坯自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。

7.根据权利要求1所述的一种高效率焊接TiAl合金的方法，其特征在于步骤四中将步骤二得到的相对密度为90％～95％且厚度为1mm的中间层压坯置于两块步骤三得到的处理后的TiAl合金中间，得到装配件；再在装配件的上下表面分别施加5MPa～6MPa压力，同时将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层引燃后，立即关闭激光器，利用中间层自身放出的热量，即完成TiAl的焊接。