CN106808079B - 一种TiAl合金与Ti2AlNb合金的扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种TiAl合金与Ti2AlNb合金的扩散连接方法，通过控制扩散连接工艺参数并进行随炉保压保温处理，实现了异种金属间化合物的可靠连接，为复杂结构件的研究和制造提供一定的基础和支持。本发明通过控制扩散连接温度、变形量、时间三个变量参数，并进行随炉保温处理，不添加中间层，通过Ti、Al、Nb主要元素和其他微量元素的相互反应和扩散，实现合金的可靠连接，有利于TiAl系金属间化合物在实际生产中的推广应用，将TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接件用于航空航天轻质高温结构件中，能有效发挥两种材料的性能，具有极大的应用前景。

Description

一种TiAl合金与Ti2AlNb合金的扩散连接方法
技术领域
本发明属于TiAl系金属间化合物焊接领域，涉及一种TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法。
背景技术
随着现代飞机和航空技术的发展，对材料的高温性能提出了越来越高的要求。TiAl 系金属间化合物是近年来重点开发的一种新型结构材料，其兼具金属与陶瓷的特性，具有熔点高，高温强度高、弹性模量高、密度低、抗氧化性强和阻燃能力好等优点，主要用于航空航天领域及汽车领域，如发动机高压压缩机片、低压涡轮涡轮增压器、喷嘴、排气阀等部件，被认为是最具有发展前景的高温轻质结构材料之一。在其工程化应用过程中，难免会遇到其自身的连接以及与其他材料的连接问题。因此研究和发展TiAl系金属间化合物的焊接是十分必要的。
高温TiAl合金和Ti2AlNb合金别是800℃～900℃温度区间和650℃～800℃温度区间使用的轻质结构材料。但是其本质脆性和难加工性限制了其广泛使用。扩散连接技术有效避免了熔焊所产生的微裂纹等缺陷，是一种精确成型技术。对扩展两种TiAl 系金属间化合物的应用范围有着重大意义。国内外学者对TiAl系金属间化合物的扩散连接技术进行了大量的研究。
文献“DiffusionBondingofDissimilarIntermetallicAlloysBasedonTi2AlNbandTiAl”在不同的扩散连接参数下(900℃～1100℃，6MPa～30MPa，30min～180min)对 Ti-46.2Al-2Cr-2Nb-0.15B合金和Ti-22Al-23Nb-2Ta合金进行了扩散连接实验，获得了不同连接界面组织状态的连接接头，在优化的参数条件下获得的剪切接头强度可达 TiAl合金的80％，同时对950℃/20MPa/60min的扩散连接试样进行了1000℃/50h的焊后热处理，发现界面组织粗化。其焊后热处理工艺只是简单的热处理过程，是在无应力条件下进行的，并且采用分步进行。而本发明采用的是在应力条件下，进行随炉保压保温处理，工艺简单且可以有效调控接头的显微组织，包括相的形貌、尺寸等。
何鹏等人在公开发明专利(公开号为CN101176946A)中提出一种以置氢钛或钛合金箔片作为中间层的扩散连接技术，该方法采用置氢钛或钛合金箔片作为中间层，有利于界面处元素的扩散，提高了TiAl合金扩散连接接头质量。同时，由于接头处形成Ti3Al+TiAl双相(α2+γ)组织，虽然强度较高，但易在扩散连接界面处萌生裂纹，使构件的力学性能下降。且扩散连接前，需对钛或钛合金箔片进行置氢处理，工艺复杂且成本高，不利于工程化应用。
宋晓国等人在公开发明专利(公开号为CN105798499A)中提出了一种采用复合金属箔连接高铌TiAl合金的方法。该方法采用Ti箔和Nb箔作为中间层，提高了原子的扩散速度，获得了良好的连接质量。但采用复合的中间层，需要对中间层进行表面处理，工艺复杂且不利于装配。
唐斌等人在公开号为CN103785944A的发明创造中提出了一种连接高Nb-TiAl合金的方法，先在较低的连接温度下对高Nb-TiAl合金进行扩散连接，随后又将其在1135 ℃的条件下退火保温2～12h,获得了优异的接头组织。但是，此方法只涉及同种合金的扩散连接技术及其组织调控方法，而未涉及异种合金的扩散连接技术。异种合金由于材料的物理化学性质差异，导致其扩散连接工艺复杂，界面组织难以控制，因此发展异种合金的扩散连接技术显得格外重要。
目前，对于高温TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接技术还不成熟，相关报道甚少。因此，有必要提供一种连接技术，使得此两种金属间化合物能够发挥其各自的优势，从而达到物尽其用的效果，扩展其工程应用。
发明内容
为克服现有技术中存在的扩散连接工艺复杂，界面组织难以控制的不足，本发明提出了一种TiAl合金与Ti2AlNb合金的扩散连接方法。
本发明的具体过程是：
步骤一：切割试样。将TiAl合金和Ti2AlNb合金分别用线切割加工，得到设计要求的待连接TiAl合金试样和Ti2AlNb合金试样。
步骤二：表面处理。将得到的待连接TiAl合金和Ti2AlNb合金的连接表面采用磨床进行精细打磨，消除待连接表面的明显划痕后，采用1.5#金刚石研磨抛光膏进行机械抛光，使待连接表面呈现镜面效果，随后将试样浸入无水乙醇中超声波除油处理 5min，并置于无水乙醇中保存。
步骤三：制作装配件。在卡具靠近焊接试样边缘的部位涂抹上止焊剂。将TiAl 合金放在卡具里，再将Ti2AlNb合金放在TiAl合金试样上面。将卡具装配好；得到装配件。
步骤四：扩散连接。将得到的装配件放置在真空扩散焊机内，将真空扩散焊机炉腔真空度抽至为5×10-3Pa并保持。以阶梯升温的方式将所述真空扩散焊机炉温度升至 930℃～1000℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加30MPa的轴向压力，使得试样总变形量达到2％～5％并保持60～120min。以阶梯降温的方式保压随炉处理，卸载压力随炉冷却至室温，即完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接，获得了TiAl 合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头。其曲线如图2所示。
所述焊接时阶梯升温的具体过程是，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至300℃，并保温30min。保温结束后继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20min后，继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至930～1000℃。
所述焊接时阶梯降温的具体过程是，保压随炉冷却，当真空扩散焊机炉温降至900℃～910℃时保温30min；继续降温至660℃～680℃并保温30min；卸除压力使连接试样随炉冷却至室温。
本发明通过控制扩散连接工艺参数并进行随炉保压保温处理，实现了异种金属间化合物的可靠连接，为复杂结构件的研究和制造提供一定的基础和支持。本发明提供了一种真空扩散连接TiAl合金和Ti2AlNb合金的方法，主要是通过控制扩散连接参数 (温度、时间、变形量)并进行随炉保温处理来实现TiAl合金和Ti2AlNb合金的可靠连接。
本发明步骤四中对连接试样施加轴向压力，轴向压力要与连接试样接面要保持垂直。
本发明步骤三中装配时，TiAl合金试样应在Ti2AlNb合金试样下面，并采用卡具固定，防止试样滑移错位，保证对焊，如图1所示。
本发明通过控制扩散连接温度、变形量、时间三个变量参数，并进行随炉保温处理，不添加中间层，通过Ti、Al、Nb主要元素和其他微量元素的相互反应和扩散，实现合金的可靠连接，有利于TiAl系金属间化合物在实际生产中的推广应用。
本发明采用直接真空扩散连接TiAl合金和Ti2AlNb合金，通过控制扩散连接温度、变形量和保温时间，然后随炉保压保温处理，以控制反应层的厚度和连接接头中生成相的分布及其均匀性，进而达到控制连接接头组织和性能的目的，成功实现了TiAl 合金和Ti2AlNb合金的连接，获得了可靠地连接接头。其原理为在较高温度扩散连接时，元素扩散快，相变发生的更加充分；同时，在应力诱导的作用下，界面孔洞等缺陷容易消除，元素扩散速率进一步提高，元素扩散和界面组织演化更加充分，从而有利于扩散连接界面冶金结合，实现异种材料的可靠连接。
本发明中，TiAl合金和Ti2AlNb合金的成功连接，将TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接件用于航空航天轻质高温结构件中，能有效发挥两种材料的性能，具有极大的应用前景。
附图说明
图1是本发明TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法用装卡示意图。其中1是Ti2AlNb合金，2是TiAl合金。
图2是TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法的扩散连接温度曲线，其中的L是施加压力的区间。
图3是本发明所得到的扩散连接接头的背散射组织照片，其中的a是Ti2AlNb合金，b是TiAl合金。其扩散连接工艺为970℃-3％-90min。
图4是本发明的流程图。
具体实施方式
本发明是一种TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法。所述TiAl合金的名义成分为Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.3Y，所述Ti2AlNb合金的名义成分为Ti-22Al-25Nb。
本发明将通过三个实施例具体说明对两块规格为14mm×30mm×10mm的TiAl 合金和Ti2AlNb合金实施扩散连接的方法。
实施例1
本实施例的具体过程是：
步骤一：切割试样。将TiAl合金和Ti2AlNb合金分别用线切割加工，得到设计要求的待连接的TiAl合金试样和Ti2AlNb合金试样。
步骤二：表面处理。将得到的待连接的TiAl合金和Ti2AlNb合金的连接表面采用磨床进行精细打磨，消除待连接表面的明显划痕后，采用1.5#金刚石研磨抛光膏进行机械抛光，使待连接表面呈现镜面效果，随后将试样浸入无水乙醇中超声波除油处理 5min，并置于无水乙醇中保存。
步骤三：制作装配件。在卡具靠近焊接试样边缘的部位涂抹上止焊剂。将TiAl 合金放在卡具里，再将Ti2AlNb合金放在TiAl合金试样上面。将卡具装配好；得到装配件。
步骤四：扩散连接。将得到的装配件放置在真空扩散焊机内，将真空扩散焊机炉腔真空度抽至为5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至300℃，并保温30min。保温结束后继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至 600℃，并保温20min后，继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至 970℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加30MPa的轴向压力并保持 90min，使得试样总变形量达到3％。保压随炉冷却，当真空扩散焊机炉温降至910℃时保温30min；继续降温至680℃并保温30min；连接试样随炉冷却至室温。至此完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接，获得了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头。
经试验验证，得到的TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头抗拉强度达到TiAl合金的85％以上。
对得到的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接件沿垂直于连接界面方向切取试样并观察界面处组织。本实施例中的界面显微组织如图3所示。图中，靠近Ti2AlNb合金界面处的组织为黑白相间的等轴组织，靠近TiAl合金界面处为灰色的条带组织，TiAl 合金和Ti2AlNb合金焊缝完全消失，不存在孔洞和裂纹等缺陷，界面组织演化完全，获得了性能优良的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接接头。
实施例2
本实施例的具体过程是：
步骤一：切割试样。将TiAl合金和Ti2AlNb合金分别用线切割加工，得到设计要求的待连接的TiAl合金试样和Ti2AlNb合金试样。
步骤二：表面处理。将得到的待连接的TiAl合金和Ti2AlNb合金的连接表面采用磨床进行精细打磨，消除待连接表面的明显划痕后，采用1.5#金刚石研磨抛光膏进行机械抛光，使待连接表面呈现镜面效果，随后将试样浸入无水乙醇中超声波除油处理 5min，并置于无水乙醇中保存。
步骤三：制作装配件。在卡具靠近焊接试样边缘的部位涂抹上止焊剂。将TiAl 合金放在卡具里，再将Ti2AlNb合金放在TiAl合金试样上面。将卡具装配好；得到装配件。
步骤四：扩散连接。将得到的装配件放置在真空扩散焊机内，将真空扩散焊机炉腔真空度抽至为5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至300℃，并保温30min。保温结束后继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至 600℃，并保温20min后，继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至 1000℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加30MPa的轴向压力并保持 60min，使得试样总变形量达到2％。保压随炉冷却，当真空扩散焊机炉温降至900℃时保温30min；继续降温至670℃并保温30min；连接试样随炉冷却至室温。至此完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接，获得了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头。在以上的真空扩散连接过程中，保持真空扩散焊机的真空度。
经试验验证，得到的TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头抗拉强度达到TiAl合金的90％以上。
对得到的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接件沿垂直于连接界面方向切取试样并观察界面处组织。结果表明，本实施例获得的扩散连接接头连接界面组织演化完全，获得性能优良的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接接头。
实施例3
本实施例的具体过程是：
步骤一：切割试样。将TiAl合金和Ti2AlNb合金分别用线切割加工，得到设计要求的待连接的TiAl合金试样和Ti2AlNb合金试样。
步骤二：表面处理。将得到的待连接的TiAl合金和Ti2AlNb合金的连接表面采用磨床进行精细打磨，消除待连接表面的明显划痕后，采用1.5#金刚石研磨抛光膏进行机械抛光，使待连接表面呈现镜面效果，随后将试样浸入无水乙醇中超声波除油处理 5min，并置于无水乙醇中保存。
步骤三：制作装配件。在卡具靠近焊接试样边缘的部位涂抹上止焊剂。将TiAl 合金放在卡具里，再将Ti2AlNb合金放在TiAl合金试样上面。将卡具装配好；得到装配件。
步骤四：扩散连接。将得到的装配件放置在真空扩散焊机内，将真空扩散焊机炉腔真空度抽至为5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至300℃，并保温30min。保温结束后继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至 600℃，并保温20min后，继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至 930℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加30MPa的轴向压力并保持 120min，使得试样总变形量达到5％。保压随炉冷却，当真空扩散焊机炉温降至905 ℃时保温30min；继续降温至660℃并保温30min；连接试样随炉冷却至室温。至此完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接，获得了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头。在以上的真空扩散连接过程中，保持真空扩散焊机的真空度。
经试验验证，得到的TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头抗拉强度达到TiAl合金的85％以上。
对得到的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接件沿垂直于连接界面方向切取试样并观察界面处组织。结果表明，本实施例获得的扩散连接接头连接界面组织演化完全，扩散层厚，元素扩散程度大，获得性能优良的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接接头。

Claims (1)

1.一种TiAl合金与Ti2AlNb合金的扩散连接方法，其特征在于，所述TiAl合金的名义成分为Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.3Y，所述Ti2AlNb合金的名义成分为Ti-22Al-25Nb；具体过程是：
步骤一：切割试样；
步骤二：表面处理；
步骤三：制作装配件；
所述制作装配件时，在卡具靠近焊接试样边缘的部位涂抹上止焊剂；将TiAl合金放在卡具里，再将Ti2AlNb合金放在TiAl合金试样上面；将卡具装配好；得到装配件；
步骤四：焊接：将得到的装配件放置在真空扩散焊机内，将真空扩散焊机炉腔真空度抽至为5×10-3Pa并保持；以阶梯升温的方式将所述真空扩散焊机炉温度升至930～1000℃；通过真空扩散焊机的石墨压头对连接试样施加30MPa的轴向压力并保持60～120min，使得试样总变形量达到2～5％；以阶梯降温的方式保压随炉冷却至室温，完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接，获得了TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接接头；
焊接时阶梯升温的具体过程是，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至300℃，并保温30min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20min后，继续以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉温度升至930～1000℃；
焊接时阶梯降温的具体过程是，保压随炉冷却，当真空扩散焊机炉温降至900～910℃时保温30min；继续降温至660～680℃并保温30min；连接试样随炉冷却至室温。
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