CN107745178A - 高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法 - Google Patents

高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

一种高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法，利用夹具材料与待连接材料的膨胀压差来提供压应力，在阶梯升温过程中即开始扩散连接。因高温TiAl盘缘扩散系数大于Ti2AlNb盘芯，在阶梯降温过程中，连接界面上仍存在一定的连接压力，扩散连接仍在继续。冷却到800℃过程中，保温过程中存在的连接压力逐渐减小，在此时进行保温处理有利于获得优异的接头性能。从800℃冷却到室温过程中，连接压力又逐渐增大，在600℃进行保温处理，避免接头残余应力过大。本发明通过夹具同时控制扩散连接工艺参数，实现了异种金属间化合物环形件的可靠连接，为其他合金复杂环形件提供了研究和制造基础。

Description

高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法
技术领域
本发明设计了一种高温TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法，适用于环形件扩散连接，属于TiAl系金属间化合物固态焊接领域。
背景技术
TiAl系金属间化合物具有密度低、比强度高和抗氧化性良好等特点，是理想的轻质高温结构材料之一。目前TiAl系合金已被广泛应用于制备航空发动机重要部件，高温TiAl合金和Ti2AlNb合金可分别在700℃～900℃和650℃～700℃温度区间内使用，是制备发动机部件的重要候选材料之一，可以有效减轻发动机重量，提高发动机推重比和工作效率。
但在实际工程应用过程中，TiAl系金属间化合物的本质脆性和难加工性限制了它的广泛使用，异种合金间力学性能以及热物理性能的差异也导致连接接头处性能较差。因此研究和发展TiAl系金属间化合物的连接技术十分必要。扩散连接技术在满足结构设计和制造要求的同时可以提高材料利用率，连接过程中可以有效避免熔焊产生的裂纹等缺陷，是适合制备TiAl系合金复杂构件的重要成形手段。目前，国内外研究学者对TiAl合金和Ti2AlNb合金同种材料及两种合金之间的扩散连接进行了一些研究。
文献“Diffusion bonding of gamma-TiAl using modified Ti/Al nanolayers”采用掺杂少量Cu的Ti/Al复合中间层实现了γ-TiAl(Ti–48Al–2Cr–2Nb)同种合金的扩散连接。研究表明，在900℃-50MPa-1h工艺条件下，获得了无明显缺陷的连接接头，接头显微硬度达到8.4Gpa，其在较低的连接温度下获得了质量较好的连接接头。但是由于掺杂了少量的Cu，在接头区域产生TiCuAl相，对接头综合性能产生不利影响。同时向Ti/Al复合层内掺杂Cu的工艺较为复杂，不利于制备复杂构件。
文献“Diff usion Bonding of Dissimilar Intermetallic Alloys Based onTi2AlNb and Ti Al”在不同连接参数下(900℃～1100℃、30min～180min、6MPa～30MPa)对TiAl(Ti-46.2Al-2Gr-2Nb-0.15B)合金和Ti2AlNb(Ti-22Al-23Nb-2Ta)合金进行了扩散连接实验。研究结果表明，扩散连接温度在1000℃以上时，较容易获得无缺陷的接头；通过优化连接参数，在1000℃-120min-20Mpa时，可以获得剪切强度达TiAl母材80％的连接接头。但是以上研究都是针对块状试样的扩散连接展开研究，连接界面为平面，未涉及环形件扩散连接研究。
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。将超声清洗后的母材以及厚度为10～30um箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行扩散连接，获得了较高质量接头。但是中间层的添加使扩散连接处形成复杂组织结构，降低扩散连接质量。同时中间层的添加使工艺复杂，增加成本。
唐斌等人在发明专利(公开号为CN103785944A)中提出了一种连接高Nb-TiAl合金的方法，该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。该专利在扩散连接工艺过程中施加了低于合金流变应力的轴向压应力，避免材料在扩散连接过程中的变形。该方法通过采用退火处理获得优异的接头组织，但并未涉及制备环形件时，如何控制其连接方法和后续处理过程。
唐斌等人在发明专利(公开号为CN106808079A)中提出了一种TiAl和Ti2AlNb合金扩散连接的方法。该方法在930～1000℃温度区间内通过施加轴向压力获得3％～5％变形量并保温一定时间后，获得质量较高连接接头，接头强度可到TiAl基体85％以上。该方法需精确控制变形量，工艺实施难度较大，并未涉及制备环形件时如何控制变形。环形件扩散连接时，因其连接界面空间位置特殊性，其工艺、装夹等会发生明显改变。
目前，由于高温TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接工艺较为复杂，技术研究还不够深入，几乎没有环形件扩散连接的相关研究报道。因此，有必要提供一种连接技术，使得两种金属间化合物环形件进行有效扩散连接，获得高质量连接接头，以实现工程应用。
发明内容
为解决高温TiAl合金和Ti2AlNb合金的扩散连接工艺问题，本发明提出了一种高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法。
本发明的具体过程是：
步骤1：切割试样。根据设计加工得到高温TiAl合金的盘缘和Ti2AlNb合金的盘芯。所述盘缘与盘芯之间的连接界面的倾角为10°～20°；
步骤2：表面处理。所述的表面处理是对得到的高温TiAl合金盘缘与Ti2AlNb合金盘芯的连接面进行精细打磨。将精细打磨后的高温TiAl合金盘缘与Ti2AlNb合金盘芯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3：装夹装配。装夹装配是将高温TiAl合金盘缘和Ti2AlNb合金盘芯装配后置于夹具内，并通过上石墨压头将夹具固定在真空扩散焊机内；所述上石墨压头施加给夹具的轴向压力为30Mpa。装夹装配时，在夹具与试件接触的表面涂抹有止焊剂。
步骤4：扩散连接。对真空扩散焊机炉腔抽真空度至5×10-3Pa。以10℃/min的升温速率使所述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的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20～120min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至900℃～1000℃，并保持60min。
本发明中，制作环形夹具的材料需在高温下具有较强力学性能，且其热膨胀系数要远小于待连接材料的热膨胀系数，利用夹具与待连接试件之间产生的膨胀压差提供连接压应力。结果表明，扩散连接过程中，在高温TiAl合金盘缘和Ti2AlNb合金盘芯连接界面上存在大约60Mpa的连接压力。这是由于夹具材料膨胀系数小，在待连接试件的膨胀过程中，限制试件部分热变形，导致上述试件的连接界面互相挤压，产生径向压力，作为扩散连接的连接压力，如图4所示。在实际工程应用中，主要是通过施加外加的轴向压力提供连接压力，由于设备以及经济利益的原因，使用的连接压力基本不超过30Mpa。本发明获得的连接压力与之相比增大近一倍，有助于获得高质量的连接件。
因高温TiAl合金的扩散系数大于Ti2AlNb合金扩散系数，在阶梯降温过程中，高温TiAl盘缘收缩更快，对Ti2AlNb盘芯产生挤压作用，连接界面上仍存在一定的连接压力，扩散连接仍在继续。冷却到800℃过程中，保温过程中存在的膨胀压差逐渐减小，约800℃时，膨胀压差变为收缩压差，在此时进行保温处理有利于获得优异的接头性能。从800℃冷却到室温过程中，收缩压差逐渐增大，在600℃进行保温处理，避免接头残余应力过大。本发明延长了扩散连接的过程，在冷却过程中较高温度时仍能进行扩散连接；进行保温处理，避免残余应力过大，有助于获得性能优异的连接件。
本发明通过设计合适夹具同时控制扩散连接工艺参数，实现了异种金属间化合物环形件的可靠连接，可为其他合金复杂环形件的研究和制造提供一定的基础和参照。
本发明主要是通过控制扩散连接参数(温度、时间、倾斜角度)，以控制反应层的厚度和连接接头中反应相的分布及其均匀性，并改善应力分布，进而达到控制连接接头组织和性能的目的，成功实现了高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件的连接，获得可靠的连接接头。扩散连接过程通过利用夹具与待连接试件的膨胀压差产生径向压力，提供较大的连接压力；通过调整倾斜角度，改善连接界面上的应力分布；通过元素扩散，组织演化以及相变，实现了双合金环形件的可靠连接；未进行复杂焊前焊后处理，未添加中间层，简化工艺，降低成本，有利于实际工程应用。
附图说明
图1是本发明高温TiAl合金和Ti2AlNb合金与夹具材料装夹示意图；
图2是采用倾斜界面连接的高温TiAl合金和Ti2AlNb合金示意图。
图3是高温TiAl合金与Ti2AlNb合金扩散连接方法的扩散连接温度曲线。
图4是扩散连接界面等效压力分布示意图。
图4中等效压力为径向压力的合力。
图5是本发明的流程图。
图中：1.Ti2AlNb合金盘芯；2.TiAl合金盘缘；3.夹具。
具体实施方式
本实施例是一种高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法，将高温TiAl合金和Ti2AlNb合金分别制作成具有10°、15°、20°倾斜角的盘缘2和盘芯1以待扩散连接。其尺寸规范如下：盘缘外径50mm内径30mm高20mm，盘芯半径30mm高20mm。
实施例一：
本实施例的具体过程是：
步骤一：切割试样。将高温TiAl合金和Ti2AlNb合金加工得到设计尺寸的待连接合金试样，分别是高温TiAl合金的盘缘2和Ti2AlNb合金1的盘芯。所述盘缘与盘芯之间的连接界面的倾角为10°；
步骤二：表面处理。采用精密磨床对步骤一得到的高温TiAl合金盘缘2与Ti2AlNb合金盘芯1的连接面进行精细打磨，以消除待连接表面的明显划痕。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：装夹装配。在夹具3与试件接触的表面涂抹上氮化硼止焊剂，将高温TiAl合金盘缘和Ti2AlNb合金盘芯装配后置于夹具内，并通过上石墨压头将夹具固定在真空扩散焊机内，以防止装配件在扩散连接过程中产生错位；所述上石墨压头施加给夹具的轴向压力为30Mpa；所述夹具为现有技术；
步骤四：扩散连接。对真空扩散焊机炉腔抽真空度至5×10-3Pa。以10℃/min的升温速率使所述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的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至900℃，并保持60min；保温结束后随炉冷却至800℃保温30min；继续随炉冷却至600℃保温30min连接试样随炉冷却至室温，即完成了高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环件的扩散连接。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。
实施例二：
本实施例的具体过程是：
步骤一：切割试样。将高温TiAl合金和Ti2AlNb合金加工得到设计尺寸的待连接合金试样，分别是高温TiAl合金的盘缘2和Ti2AlNb合金1的盘芯。所述盘缘与盘芯之间的连接界面的倾角为15°；
步骤二：表面处理。采用精密磨床对步骤一得到的高温TiAl合金盘缘2与Ti2AlNb合金盘芯1的连接面进行精细打磨，以消除待连接表面的明显划痕。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：装夹装配。在夹具3与试件接触的表面涂抹上氮化硼止焊剂，将高温TiAl合金盘缘和Ti2AlNb合金盘芯装配后置于夹具内，并通过上石墨压头将夹具固定在真空扩散焊机内，以防止装配件在扩散连接过程中产生错位；所述上石墨压头施加给夹具的轴向压力为30Mpa；所述夹具为现有技术；
步骤四：扩散连接。对真空扩散焊机炉腔抽真空度至5×10-3Pa。以10℃/min的升温速率使所述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的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至950℃，并保持90min；保温结束后随炉冷却至800℃保温30min；继续随炉冷却至600℃保温30min连接试样随炉冷却至室温，即完成了高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环件的扩散连接。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。
实施例三：
本实施例的具体过程是：
步骤一：切割试样。将高温TiAl合金和Ti2AlNb合金加工得到设计尺寸的待连接合金试样，分别是高温TiAl合金的盘缘2和Ti2AlNb合金1的盘芯。所述盘缘与盘芯之间的连接界面的倾角为20°；
步骤二：表面处理。采用精密磨床对步骤一得到的高温TiAl合金盘缘2与Ti2AlNb合金盘芯1的连接面进行精细打磨，以消除待连接表面的明显划痕。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：装夹装配。在夹具3与试件接触的表面涂抹上氮化硼止焊剂，将高温TiAl合金盘缘和Ti2AlNb合金盘芯装配后置于夹具内，并通过上石墨压头将夹具固定在真空扩散焊机内，以防止装配件在扩散连接过程中产生错位；所述上石墨压头施加给夹具的轴向压力为30Mpa；所述夹具为现有技术；
步骤四：扩散连接。对真空扩散焊机炉腔抽真空度至5×10-3Pa。以10℃/min的升温速率使所述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的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至950℃，并保持90min；保温结束后随炉冷却至800℃保温30min；继续随炉冷却至600℃保温30min连接试样随炉冷却至室温，即完成了高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环件的扩散连接。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。
步骤四：扩散连接。对真空扩散焊机炉腔抽真空度至5×10-3Pa。以10℃/min的升温速率使所述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的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至1000℃，并保持120min；保温结束后随炉冷却至800℃保温30min；继续随炉冷却至600℃保温30min连接试样随炉冷却至室温，即完成了高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环件的扩散连接。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。
根据实施例结果可以总结出，高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件扩散连接的最佳工艺参数范围为：900℃～1000℃、60～120min、10°～20°。
以上事例仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作出任何限制。凡是根据本发明工艺技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1：切割试样；根据设计加工得到高温TiAl合金的盘缘和Ti2AlNb合金的盘芯；
所述盘缘与盘芯之间的连接界面的倾角为10°～20°；
步骤2：表面处理；
步骤3：装夹装配；
步骤4：扩散连接；对真空扩散焊机炉腔抽真空度至5×10-3Pa；以10℃/min的升温速率使所述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的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至600℃，并保温20～120min；保温结束后继续以10℃/min的升温速率使该真空扩散焊机炉温度升至900℃～1000℃，并保持60min。
2.如权利要求1所述高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法，其特征在于，所述的表面处理是对得到的高温TiAl合金盘缘与Ti2AlNb合金盘芯的连接面进行精细打磨；将精细打磨后的高温TiAl合金盘缘与Ti2AlNb合金盘芯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。
3.如权利要求1所述高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法，其特征在于，装夹装配是将高温TiAl合金盘缘和Ti2AlNb合金盘芯装配后置于夹具内，并通过上石墨压头将夹具固定在真空扩散焊机内；所述上石墨压头施加给夹具的轴向压力为30Mpa。
4.如权利要求3所述高温TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的扩散连接方法，其特征在于，装夹装配时，在夹具与试件接触的表面涂抹有止焊剂。
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