CN106735766B - 一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法 - Google Patents

一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法。本发明涉及一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法。本发明目的是为了解决Ti/Ni异种连接困难、焊后接头应力大、由于焊接区域完全融化而使脆性Ti‑Ni相多的问题。方法：采用添加Cu中间层搭接形式的TIG焊接网状结构TiBw/TC4复合材料与镍基高温合金。一方面降低Ti/Ni异种接头中应力，另一方面Cu中间层熔点较低，在焊接过程中完全熔化且与两侧母材反应，从而减少Ti2Ni等脆性Ti‑Ni相的形成；且采用搭接形式焊接，可以控制接头处TiBw/TC4复合材料部分熔化，从而获得分层结构高强度的Ti/Ni异种接头。

Description

一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接 方法
技术领域
本发明涉及一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法。
背景技术
网状结构TiBw/TC4复合材料(ZL200810136852.8)具有质轻、高比刚度、高比强度、高耐热性的特点，使用温度较钛合金提高100℃～200℃，但低于镍基合金，在航空航天发动机550℃～800℃高温构件中具有广泛的应用前景。镍基高温合金在750℃～1000℃高温构件中具有广泛应用，但密度普遍较大。为了即保证性能要求又实现轻量化要求，在不同部位使用不同材料，达到最大化减重效果，实现Ti/Ni异种金属高性能连接尤为需要。
钛材与镍金属焊接一直都是焊接的难题，采用钎焊等固相焊接和激光焊等高能束焊接的方式，并严格控制焊接参数与钎料参数可以获得Ti/Ni异种接头。但普遍存在昂贵，适用性不高等缺点。采用TIG焊接的方法，具有焊接效率高，接头性能可靠，适用性强等优点。但是，对Ti/Ni异种连接采用传统TIG焊接的对接方式时，焊接过程中母材在电弧的作用下焊接区域完全融化，Ti、Ni等元素等充分反应，从而产生大量脆性金属间化合物(Ti2Ni等)；同时由于两种母材的热膨胀系数等物理系数相差较大等原因，在凝固阶段接头中产生很大应力，使得接头在冷却至室温时产生贯穿裂纹，造成接头失效。可见通过传统TIG焊接方法直接对接方式很难获得Ti/Ni异种接头。采用搭接方式焊接，可以通过控制焊接参数，使母材部分融化，有效减少焊缝处脆性金属间化合物形成，但焊接应力仍较高，仍然不能满足高性能与可靠焊接接头的要求。
发明内容
本发明是为了解决Ti/Ni异种连接困难、焊后接头应力大、由于焊接区域完全融化而使脆性Ti-Ni相多的问题，而提供一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法。
本发明一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
将钛基复合材料和镍基合金分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm～0.2mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接电流为70A～110A，焊接速度为90mm/min～120mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接。
本发明的有益效果：
本发明最终获得层状结构、无宏观裂纹的Ti/Ni异种接头，断裂发生于网状结构TiBw/TC4复合材料的热影响区，接头室温拉伸剪切强度可达370MPa，远高于未添加Cu中间层直接搭接焊接的接头强度56MPa。将热输入直接加于搭接接头的网状结构TiBw/TC4复合材料一侧，在Cu中间层完全熔化而两母材与中间层的接触处未熔化的情况下发生反应，控制了接头主要部分即反应层的热输入；加入Cu中间层使得反应层中脆性Ti-Ni相显著减少，反应层中的粗大枝晶的生长被抑制；接头整体无宏观裂纹，电流增大或焊接速度减小会使焊接热输入的增大而降低接头性能。
附图说明
图1为实施例二的装配示意图；其中1为电弧，2为钛基复合板材，3为Cu中间层，4为镍基合金板材；
图2为实施例二钛基复合材料与镍基合金的连接后接头截面40倍扫描电镜照片；其中Ⅰ为熔化再凝固层，Ⅱ为受热影响的网状结构TiBw/TC4复合材料层，Ⅲ为反应层，Ⅳ为镍基高温合金层；
图3为实施例二中受热影响的网状结构TiBw/TC4复合材料层的断面示意图；其中1为镍基高温合金层，2为断裂位置，3为反应层。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
将钛基复合材料和镍基合金分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm～0.2mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接电流为70A～110A，焊接速度为90mm/min～120mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接。
本实施方式通过搭接形式、添加Cu中间层、控制焊接电流和焊接速度的协同配合，可以获得完全无裂纹的Ti/Ni异种接头。一方面可以降低Ti/Ni异种接头中应力，另一方面Cu中间层熔点较低，在焊接过程中完全熔化且与两侧母材反应，从而减少Ti2Ni等脆性Ti-Ni相的形成；且采用搭接形式进行焊接，可以控制接头处TiBw/TC4复合材料部分熔化，从而获得具有分层结构，且较高强度与可靠性的Ti/Ni异种接头。较小的热输入直接加于网状结构TiBw/TC4复合材料上，使该板材上部通过熔化，中部依然保持网状结构，下部与中间层Cu及镍基高温合金板材上部通过热传导实现反应连接，从而形成层状结构的Ti/Ni异种接头。接头中产物为Ti-Ni-Cu三元金属间化合物，部分Cu代替原产物脆性Ti-Ni中的Ni，降低接头脆性，缓解接头应力。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述钛基复合材料为网状结构TiBw/TC4合金基复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料具体是按以下步骤进行制备的：
一、机械混粉：按质量百分比将3％的TiB2粉和97％的TC4钛合金粉用球磨机进行机械混粉，混粉时间为4～12h；
二、热压烧结：将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结，温度从室温直接加热到1100～1500℃，保持压力为15～30MPa，保压时间为0.5～5h，冷却到室温后即可得到钛基复合材料；其中，步骤一中Ti合金粉的粒度为50～200μm，TiB2合金的粒度为2～5μm。
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：所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料中增强相的体积分数为5％。其他步骤及参数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：所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料的尺寸为50～200μm。其他步骤及参数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：所述焊接电流为100A，焊接速度为110mm/min。其他步骤及参数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：所述焊接电流为90A，焊接速度为100mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
将增强相体积分数为5.0vol.％、网状尺寸为200μm的网状结构TiBw/TC4复合材料和去应力退火的镍基高温合金板分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接电流为100A，焊接速度为110mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接。
焊后接头为层状结构，接头主要部分反应层经XRD衍射和能谱分析得知产物主要为为Ti-Ni-Cu三元化合物，经力学性能测试，在室温下焊接接头拉伸剪切强度达370MPa，反应层厚度为410μm。
实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：所述焊接电流为90A，焊接速度为100mm/min。其他与实施例一相同。
图2为钛基复合材料与镍基合金的连接后接头截面40倍扫描电镜照片；其中Ⅰ为熔化再凝固层，Ⅱ为受热影响的网状结构TiBw/TC4复合材料层，Ⅲ为反应层，Ⅳ为镍基高温合金层；从图中可以看出焊后接头为层状结构，接头主要部分反应层经XRD衍射和能谱分析得知产物主要为为Ti-Ni-Cu三元化合物，经力学性能测试，在室温下焊接接头拉伸剪切强度达331MPa，反应层厚度为380μm。
接头中主要元素扩散方向：Cu分别向两侧母材均有扩散，Ti主要由网状结构TiBw/TC4复合材料向中间层和镍基高温合金扩散，Ni主要由镍基高温合金向中间层和少量向网状结构TiBw/TC4复合材料中扩散。

Claims (6)

1.一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法，其特征在于钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
将钛基复合材料和镍基合金分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm～0.2mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接电流为70A～110A，焊接速度为90mm/min～120mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接；连接处接头在室温下的拉伸剪切强度为370MPa。
2.根据权利要求1所述的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法，其特征在于所述钛基复合材料为网状结构TiBw/TC4合金基复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法，其特征在于所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料中增强相的体积分数为5％。
4.根据权利要求1所述的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法，其特征在于所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料的尺寸为50～200μm。
5.根据权利要求1所述的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法，其特征在于所述焊接电流为100A，焊接速度为110mm/min。
6.根据权利要求1所述的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法，其特征在于所述焊接电流为90A，焊接速度为100mm/min。
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