CN105382406A - TiAl-Ni异种金属的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiAl-Ni异种金属的连接方法，该方法是在焊接时使用块体非晶合金材料作为中间层，利用非晶材料在过冷液相区的超塑性实现连接，再通过提高温度使非晶层扩散至母材中从而实现冶金结合的焊接，特别适用于板材之间的焊接。通过本发明所述焊接方法可得到强度高、成型好的TiAl-Ni异种金属焊接接头，当以GH4049和Ti-48Al作为母材，Ni40Ti50Cu10非晶合金粉末作为中间层时，最高拉伸强度可以达到480MPa。

Description

TiAl-Ni异种金属的连接方法
技术领域
本发明是一种TiAl-Ni异种金属的连接方法，属于异种金属焊接领域。
背景技术
TiAl合金是具有相对较低的密度、高比刚度、比强度以及优异的抗氧化性能和良好的高温力学性能等优点的材料，被认为是理想的、具有广泛应用前景的新型轻质高温结构材料。Ni基高温合金具有较高的强度、较好的塑性、优良的抗氧化和耐腐蚀性能，以及其组织在使用条件下具有长期的稳定性等优点，可以大量应用于各种高温、高效部件。将Ni基高温合金和TiAl基合金有效连接，是拓展TiAl基合金在航空航天领域中应用的关键，然而由于两种材料存在物理性能、化学性能和力学特性能等方面存在诸多差异，从而使得焊接质量很难达到使用要求。
对于TiAl合金与Ni基高温合金的连接，国内外一些学者也进行探索和研究，目前主要有固相扩散焊和瞬时液相扩散焊等。
固相扩散焊的原理是相互接触的表面在高温及压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后保证原子结合层原子间相互扩散，形成整体水平上的可靠连接。
瞬时液相扩散焊是夹在两待焊面间的夹层材料经加热后，熔化形成一极薄的液相膜，它润湿并填充整个接头间隙，随后在保温过程中通过液相和固相之间的扩散而逐渐凝固形成接头。
固相扩散焊和瞬时液相扩散焊在焊接TiAl合金与Ni基高温合金都存在如下缺点，难以得到理想的焊接接头：
(1)固相扩散焊和瞬时液相扩散焊的焊接温度较高，在高温下母材可能会发生一系列的变化，如高温蠕变，相变等，其组织和性能都会变化，降低了焊接接头的性能，例如Ni基高温合金GH4049在850℃会有相变点，当温度高于相变点其性能会产生变化。
(2)固相扩散焊和瞬时液相扩散焊在焊接TiAl合金与Ni基高温合金时，会在焊接接头处形成Ti-Ni-Al三元金属间化合物，大大降低了接头强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种TiAl-Ni异种金属的连接方法。
瞬时过冷液相扩散连接的焊接连接的原理是将具有宽过冷液相区的非晶中间层合金放置于装配好的工件间，并施加一定的压力，然后在真空或惰性气体的保护下加热到连接温度(连接温度在中间层的过冷液相区温度范围)。在连接温度下达到非晶合金的过冷液相区内，非晶合金在过冷液相区中常表现出超塑性，利用非晶合金的超塑性特点可以迅速浸润母材扩大待焊表面的物理接触，然后升高温度至扩散温度，在高温下加强原子之间的相互扩散来实现接头焊接，最后获得与母材性能优良的焊接接头。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种TiAl-Ni异种金属的连接方法，包括如下步骤：
(1)选取块体非晶合金材料作为中间层；
(2)清理Ni基高温合金和TiAl合金的连接表面，得到洁净平整的连接表面；
(3)依次将TiAl合金、中间层、Ni基高温合金按顺序叠放，置于真空热压炉中进行焊接；
(4)将真空热压炉抽真空，并施加压力，将温度逐渐升高至连接温度T1，并保温一段时间，其中，连接温度T1在中间层的过冷液相区温度范围Tg-Tx之间；
(5)升高温度至扩散温度T2，并保温一段时间，其中，扩散温度T2取值为700-840℃。
步骤(1)中，所述块体非晶合金材料的成分为Ni40Ti50Cu10、Ti47Ni47Al6和Ni57Zr20Ti18Al5中任意一种，中间层厚度为5～500μm，中间层的形态采用箔片或粉末状。
步骤(2)中，所述Ni基高温合金为GH4043、GH4049和GH4099中任意一种，TiAl合金的成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb。
步骤(2)中，通过依次使用#200、#400、#600砂纸对连接表面进行打磨清理。
步骤(4)中，真空度不低于1×10-2Pa，施加压力大小为3～10MPa，保温时间为10-30min。
步骤(5)中，保温时间为1-2h。
本发明与现有技术相比，其显著优点有：
1)本发明采用瞬时过冷液相扩散焊，其连接温度在非晶中间层的过冷液相区温度范围内，其温度远低于非晶中间层的熔点，可以在较低的焊接温度下焊接；
2)非晶中间层在过冷液相区常常表现为超塑性，利用这一特性可以在焊接过程中迅速地浸润母材，降低了对待焊工件表面粗糙度的要求；
3)在焊接过程中所需的压力远远小于普通的固相扩散焊；
4)得到的焊接接头成形好，接头强度较高，接近母材；
5)镍基高温合金在高温时会产生相变影响材料性能，瞬时过冷液相扩散连接在焊接TiAl-Ni时由于温度较低，对待焊材料的组织无影响。
具体实施方式
根据本发明所提供的瞬时过冷液相扩散连接方法，利用真空热压炉对TiAl-Ni基高温合金进行焊接，并对焊接接头的性能和组织进行分析。
实施例1：
以尺寸为3mm×50mm×50mm的GH4043和Ti-48Al合金材料作为母材，80μm×50mm×50mm的Ni40Ti50Cu10非晶合金箔片作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
具体步骤如下：
1)焊接前用M10砂纸清理镍基高温合金和TiAl合金箔片的连接表面，去除表面的氧化膜和油污，得到平面度和粗糙度较好的连接表面；
2)将TiAl、中间层箔片、Ni基高温合金按照顺序依次叠放好，放入真空热压炉中进行焊接。当真空热压炉的真空度达到1×10-2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20℃/min，直到热压炉中温度达到500℃时保温10min进行连接，升高温度至800℃后停止加热并保温2h进行扩散；
3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
4)对焊接接头进行拉伸强度检测。
最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头剪切强度达到424MPa。
实施例2：
以Φ20mm×10mm的GH4049和Ti-48Al作为母材，Ni40Ti50Cu10非晶合金粉末作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
1)将GH4049和Ti-48Al合金的上下平面用砂纸清理，去除表面的氧化膜和油污；
2)将Ni40Ti50Cu10非晶合金粉末涂在待焊表面上，并使得中间层厚度在100μm，然后放入真空热压炉中。当真空热压炉的真空度达到1×10-2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20℃/min，直到热压炉中温度达到500℃时保温5min进行连接，然后升高温度至800℃后保温2h进行扩散；
3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
4)对焊接接头进行拉伸强度检测以及组织成分分析。
最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头拉伸强度达到480MPa，性能高于其他焊接方法。
实施例3：
以Φ20mm×10mm的GH4099和Ti-48Al作为母材，Ti47Ni47Al6非晶合金粉末作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
1)将GH4099和Ti-48Al合金的上下平面用砂纸清理，去除表面的氧化膜和油污；
2)将Ti47Ni47Al6非晶合金粉末涂在待焊表面上，并使得中间层厚度在150μm，然后放入真空热压炉中。当真空热压炉的真空度达到1×10-2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20℃/min，直到热压炉中温度达到450℃时保温5min进行连接，然后升高温度至800℃保温2h进行扩散；
3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
4)对焊接接头进行拉伸强度检测以及组织成分分析。
最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头拉伸强度达到440MPa。
实施例4：
以尺寸为3mm×50mm×50mm的GH4043和Ti-48Al合金材料作为母材，80μm×50mm×50mm的Ti47Ni47Al6非晶合金箔片作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
具体步骤如下：
1)焊接前用M10砂纸清理镍基高温合金和TiAl合金箔片的连接表面，去除表面的氧化膜和油污，得到平面度和粗糙度良好的连接表面；
2)将TiAl、中间层箔片、Ni基高温合金按照顺序依次叠放好，放入真空热压炉中进行焊接。当真空热压炉的真空度达到1×10-2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20℃/min，直到热压炉中温度达到450℃时保温10min进行连接，升高温度至800℃并保温2h进行扩散；
3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
4)对焊接接头进行拉伸强度检测。
最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头剪切强度达到415MPa。
实施例5：
以尺寸为3mm×50mm×50mm的GH4049和Ti-48Al合金材料作为母材，80μm×50mm×50mm的Ni57Zr20Ti18Al5非晶合金箔片作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
具体步骤如下：
1)焊接前用M10砂纸清理镍基高温合金和TiAl合金箔片的连接表面，去除表面的氧化膜和油污，得到平面度和粗糙度较好的连接表面；
2)将TiAl、中间层箔片、Ni基高温合金按照顺序依次叠放好，放入真空热压炉中进行焊接。当真空热压炉的真空度达到1×10-2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20℃/min，直到热压炉中温度达到550℃时保温5min进行连接，升高温度至800℃后保温1h进行扩散；
3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
4)对焊接接头进行拉伸强度检测。
最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头剪切强度达到400MPa。

Claims (8)

1.一种TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取块体非晶合金材料作为中间层；
(2)清理Ni基高温合金和TiAl合金的连接表面，得到洁净平整的连接表面；
(3)依次将TiAl合金、中间层、Ni基高温合金按顺序叠放，置于真空热压炉中进行焊接；
(4)将真空热压炉抽真空，并施加压力，将温度逐渐升高至连接温度T1，并保温一段时间，其中，连接温度T1在中间层的过冷液相区温度范围Tg-Tx之间；
(5)升高温度至扩散温度T2，并保温一段时间，其中，扩散温度T2取值为700-840℃。
2.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，块体非晶合金材料的成分为Ni40Ti50Cu10、Ti47Ni47Al6和Ni57Zr20Ti18Al5中任意一种。
3.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，中间层厚度为5～500μm，中间层的形态采用箔片或粉末状。
4.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，Ni基高温合金为GH4043、GH4049和GH4099中任意一种。
5.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，TiAl合金的成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb。
6.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，步骤(2)中，通过依次使用#200、#400、#600砂纸对连接表面进行打磨清理。
7.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，步骤(4)中，真空度不低于1×10-2Pa，施加压力大小为3～10MPa，保温时间为10-30min。
8.如权利要求1所述的TiAl-Ni异种金属的连接方法，其特征在于，步骤(5)中，保温时间为1-2h。
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