CN108326317A - TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法，通过结构设计、余量补缩，采用热等静压的方法，直接实现TiAl合金和Ti2AlNb粉末环形件的扩散连接，装配简单，工艺性好，在连接保温过程中，环形件的整体应力分布较为均匀，这为实现TiAl合金和Ti2AlNb粉末环形件的冶金结合提供了一定的保障。所采用的双球盖包套工装，结构简单，工艺性好和经济性好，能够得到精密的环形连接件。

Description

TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法
技术领域
本发明属于异种金属间化合物环形件扩散连接技术领域，具体是一种TiAl合金与Ti2AlNb粉末热等静压扩散连接制备环形件方法。
背景技术
随着科学技术的发展，未来飞行器的飞行速度将会更快、飞行距离将会更远，这对高温材料的轻量化提出了更为苛刻的要求。TiAl系金属间化合物具有优异的高温性能，可替代镍基高温合金在650～1100℃左右高温结构件使用，并且其密度仅为镍基高温合金密度的一半不到，可大大提高发动机的推重比。但其本征脆性和难加工性严重限制了它的应用。热等静压扩散连接技术是近几年来发展迅速的异种金属连接工艺，通过原子间相互扩散使异种金属之间产生冶金结合，非常适合金属间化合物的连接，有效避免了连接界面生成大量的有害物质。在制备大型结构件和近净成形方面具有独到的优势。
目前，制备双金属构件的途径主要包括固-固热等静压和粉-固热等静压两种，国内外学者也针对不用的材料进行了大量的研究和探讨。
贾建等人在公开号为CN 103447759 A的发明创造中提出了一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法。其采用高温合金粉末作为粉末冶金涡轮盘和精密铸造叶片环连接部位的过渡连接层，降低了异种高温合金整体叶盘热等静压扩散连接的难度，提高了扩散连接接头的质量。由于需要填充粉末，因此在后期的热等静压处理过程中，界面很可能出现微孔，影响接头性能。
郎泽宝等人在公告号为CN 105385869 B的专利中提出了高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构建的制备方法。通过电镀、离子镀或电弧沉积的方法将中间层金属附着在高铌TiAl系金属间化合物待焊接表面，然后将高铌TiAl系金属间化合物块料和TC4钛合金预合金粉末装入包套中，抽真空，热等静压扩散连接，获得了具有良好性能的接头。但是对于复杂结构件，如环形件，其设计方案存在一定的缺陷，粉体在热等静压过程中会存在变形、收缩，结构件的尺寸无法控制。其方案有一定的限制性。
文献“Diffusion Bonding of Dissimilar Intermetallic Alloys Based onTi2AlNb and TiAl”在不同的扩散连接参数下(900℃～1100℃，6MPa～30MPa，30min～180min)对TiAl合金和Ti2AlNb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％。此研究只涉及两种固态材料的连接及其界面和性能分析，而未涉及粉-固成型大尺寸、复杂构件的成型。
目前，对于热等静压扩散连接TiAl合金和Ti2AlNb粉末制备环形件的方法还未见报道。因此有必要提供一种粉-固TiAl系金属间化合物环形件扩散连接方法，扩展其工程应用。
发明内容
为填补现有技术中尚无粉-固成型环形件的空白，本发明提出了一种TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，备料。所述的备料包括制作TiAl合金圆环和准备Ti2AlNb粉末。
所述的TiAl合金圆环的内表面采用正公差，精度为0～+0.01mm。该TiAl合金圆环内表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
所述Ti2AlNb合金粉末的用量包括TiAl合金圆环内孔的Ti2AlNb合金粉末填充量，以及包套组件中的上包套端盖内表面圆弧状凹槽内的填充量和下包套端盖内表面圆弧状凹槽内的填充量。所述上包套端盖内表面圆弧状凹槽内填充的Ti2AlNb合金粉末和下包套端盖内表面圆弧状凹槽内填充的Ti2AlNb合金粉末均用于所述TiAl合金圆环内孔中Ti2AlNb合金粉末的补缩。所述补缩的Ti2AlNb合金粉末的用量通过公式(1)和(2)确定：
6h2R1-2h3-3(1-α)Hr2＝0 (1)
R＝(1.02～1.05)r (2)
公式中，α为粉体的收缩系数；R1为弧形凹槽的半径；h为弧形凹槽的高度，R为弧型凹槽槽口处的半径。r为TiAl圆环的内径的一半，H为TiAl合金圆环的高度。
步骤2，制作包套组件。
所述的包套包括配合使用的上包套和下包套。
所述上包套是由一个圆形不锈钢板，和在该圆形不锈钢板一个端面的外缘处轴向凸出的对合凸台组成，其外形呈“叵”字形。在该上包套有对合凸台的端面中心有圆弧形的凹槽；在该凹槽的中心有贯通的气孔；除气管固定在该上包套端盖外表面中心，并使该除气管与所述气孔同轴。所述对合凸台处的内径与TiAl合金圆环的外径相同。
所述下包套亦是由一个圆形不锈钢板，和在该圆形不锈钢板一个端面的外缘处轴向凸出的对合凸台组成，其外形呈“叵”字形。在该下包套有对合凸台的端面中心有圆弧形的凹槽。所述对合凸台处的内径与TiAl合金圆环的外径相同。
所述上包套中心凹槽的底半径与下包套端盖中心凹槽的底半径相同；所述上包套中心凹槽的高度与下包套端盖中心凹槽的高度相同。
步骤3，表面处理。
步骤4，Ti2AlNb合金粉末和TiAl合金圆环的装配。
在轴孔环境下将待连接的TiAl合金圆环装入下包套内；向TiAl合金圆环的内孔中以及下包套中心的凹槽内填充Ti2AlNb粉末。将所述上包套盖在所述TiAl合金圆环上，并使该上包套的下端面与下包套的上端面对合并焊接，组成包套；所述TiAl合金圆环、上包套与下包套三者之间同轴。
通过除气管3继续向上包套内填充Ti2AlNb粉末并震动充实；继续通过除气管向上包套内填充Ti2AlNb粉末并震动充实，直至包套内Ti2AlNb粉末的振实密度达到2.46～2.82g/cm。
完成Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配。
步骤5，除气处理。
用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa。火焰熔化除气管3，从而封闭上包套上的气孔，得到粉-固装配件。
步骤6，热等静压扩散连接。
将得到后的粉-固装配件放置于热等静压设备中进行热等静压扩散连接处理。具体过程是：将所述热等静压炉以50℃/min的升温速率升温至900℃～1050℃；通过热等静压炉的压力系统对该热等静压炉的炉腔内施加110MPa～150MPa的压力并保持2h～4h。保压结束后，随炉冷却至室温。
步骤7，后处理。
热等静压完成后，通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工。
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
本发明通过热等静压方法，直接实现TiAl合金和Ti2AlNb粉末环形件的扩散连接，装配简单，工艺性好。采用双球盖包套工艺，并通过计算控制其尺寸大小，能够得到精密的环形连接件。
本发明中，为了保证两个连接界面(粉-固界面)的紧密结合，采用平面接触，因此，TiAl合金的内表面要平行于中心轴，并且表面要光滑，无氧化层。
本发明通过结构设计，余量补缩，能够制备出尺寸精确的TiAl合金和Ti2AlNb粉末双合金环形件。其原理是通过Ti2AlNb粉末和TiAl合金之间的直接紧密贴合，在高温高压下，Ti2AlNb粉末在成型的过程中同时与TiAl合金通过元素扩散生成界面发应层，实现TiAl合金和Ti2AlNb粉末有效地连接，结构简单、装配简单、工艺性好，经济性好，同时，热等静压扩散连接可提供一个相对均匀的连接应力，如图4所示，在连接保温过程中，环形件的整体应力分布较为均匀，这为实现TiAl合金和Ti2AlNb粉末环形件的冶金结合提供了一定的保障。
附图说明
图1是包套组件结构示意图。其中，图1a是主视图，图1b是图1a的A-A向视图，图1c是图1a的俯视图。
图2是TiAl合金圆环和Ti2AlNb粉末的装配示意图。
图3是TiAl合金圆环和Ti2AlNb粉末热等静压扩散连接的工艺曲线。
图4是1050℃-110MPa-2h条件保温过程中整体应力分布图。
图5是本发明的流程图。图中：
1.上包套；2.下包套；3.除气管；4.TiAl合金圆环；5.Ti2AlNb粉末；6.焊缝
具体实施方式
本发明实现了TiAl合金和Ti2AlNb粉末环形件的成功连接，通过三个具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明的具体过程是：
步骤1，备料。所述的备料包括制作TiAl合金圆环和准备Ti2AlNb粉末。
按设计要求，通过线切割将TiAl合金圆环锻坯加工成为TiAl合金圆环。该TiAl合金圆环的内表面采用正公差，精度为0～+0.01mm。对TiAl合金圆环内表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
所述Ti2AlNb合金粉末的粒度满足d≤100μm。
所述Ti2AlNb合金粉末的用量包括TiAl合金圆环4内孔的Ti2AlNb合金粉末填充量，以及包套组件中的上包套1端盖内表面圆弧状凹槽内的填充量和下包套2端盖内表面圆弧状凹槽内的填充量。所述上包套端盖内表面圆弧状凹槽内填充的Ti2AlNb合金粉末和下包套端盖内表面圆弧状凹槽内填充的Ti2AlNb合金粉末均用于所述TiAl合金圆环内孔中Ti2AlNb合金粉末的补缩。所述补缩的Ti2AlNb合金粉末的用量通过公式(1)和(2)确定：
6h2R1-2h3-3(1-α)Hr2＝0 (1)
R＝(1.02～1.05)r (2)
公式中，α为粉体的收缩系数；R1为弧形凹槽的半径；h为弧形凹槽的高度，R为弧型凹槽槽口处的半径。r为TiAl圆环的内径的一半，H为TiAl合金圆环的高度。
步骤二，制作包套组件。
根据设计的包套尺寸，机加工不锈钢管和不锈钢板获得所需的包套和除气管3。所述包套包括配合使用的上包套1和下包套2。
所述上包套1是由一个圆形不锈钢板，和在该圆形不锈钢板一个端面的外缘处轴向凸出的对合凸台组成，其外形呈“叵”字形。在该上包套有对合凸台的端面中心有圆弧形的凹槽；在该凹槽的中心有贯通的气孔；除气管3固定在该上包套端盖外表面中心，并使该除气管与所述气孔同轴。所述对合凸台处的内径与TiAl合金圆环4的外径相同。
所述下包套2亦是由一个圆形不锈钢板，和在该圆形不锈钢板一个端面的外缘处轴向凸出的对合凸台组成，其外形呈“叵”字形。在该下包套有对合凸台的端面中心有圆弧形的凹槽。所述对合凸台处的内径与TiAl合金圆环4的外径相同。
所述上包套中心凹槽的底半径与下包套端盖中心凹槽的底半径相同；所述上包套中心凹槽的高度与下包套端盖中心凹槽的高度相同。
本实施例中，各所述凹槽槽口处的半径为R，各所述凹槽的高度为h。
步骤三，表面处理。
对得到的TiAl合金圆环表面进行酸洗处理后，浸入无水乙醇中超声波清洗15min～20min，并置于无水乙醇中保存，以待扩散连接。同时，对不锈钢包套组件进行表面清洗和除油。
步骤四，Ti2AlNb合金粉末和TiAl合金圆环的装配。
将所述的下包套置于放置在真空环境中的振动机上。
将待连接的TiAl合金圆环装入下包套内，向TiAl合金圆环的内孔中以及下包套中心的凹槽内填充Ti2AlNb粉末。将所述上包套盖在所述TiAl合金圆环上，并使该上包套的下端面与下包套的上端面对合并焊接，组成包套；上包套与下包套焊接处的焊缝6的坡角β＝45°。所述TiAl合金圆环、上包套与下包套三者之间同轴。
通过除气管3继续向上包套内填充Ti2AlNb粉末并震动充实；继续通过除气管向上包套内填充Ti2AlNb粉末并震动充实，直至包套内Ti2AlNb粉末的振实密度达到2.46～2.82g/cm。
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配。
步骤五，除气处理。
用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa。火焰熔化除气管3，从而封闭上包套上的气孔，得到粉-固装配件。
步骤6，热等静压扩散连接。
将得到后的粉-固装配件放置于热等静压设备中进行热等静压扩散连接处理。具体过程是：将所述热等静压炉以50℃/min的升温速率升温至900℃～1050℃；通过热等静压炉的压力系统对该热等静压炉的炉腔内施加110MPa～150MPa的压力并保持2h～4h。保压结束后，随炉冷却至室温。
步骤七，后处理。
热等静压完成后，通过机械加工去除包套，并根据需求进行机械加工。
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
本发明提出的各实施例的制备过程相同。各实施例中热等静压扩散连接的工艺参数见表1：

Claims (4)

1.一种TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，备料：所述的备料包括制作TiAl合金圆环和准备Ti2AlNb粉末；
步骤2，制作包套组件；
步骤3，表面处理；
步骤4，Ti2AlNb合金粉末和TiAl合金圆环的装配：
在轴孔环境下将待连接的TiAl合金圆环装入下包套内；向TiAl合金圆环的内孔中以及下包套中心的凹槽内填充Ti2AlNb粉末；将所述上包套盖在所述TiAl合金圆环上，并使该上包套的下端面与下包套的上端面对合并焊接，组成包套；所述TiAl合金圆环、上包套与下包套三者之间同轴；
通过除气管3继续向上包套内填充Ti2AlNb粉末并震动充实；继续通过除气管向上包套内填充Ti2AlNb粉末并震动充实，直至包套内Ti2AlNb粉末的振实密度达到2.46～2.82g/cm；
完成Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配；
步骤5，除气处理：
用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa；火焰熔化除气管3，从而封闭上包套上的气孔，得到粉-固装配件；
步骤6，热等静压扩散连接：
将得到后的粉-固装配件放置于热等静压设备中进行热等静压扩散连接处理；具体过程是：将所述热等静压炉以50℃/min的升温速率升温至900℃～1050℃；通过热等静压炉的压力系统对该热等静压炉的炉腔内施加110MPa～150MPa的压力并保持2h～4h；保压结束后，随炉冷却至室温；
步骤7，后处理：
热等静压完成后，通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工；
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
2.如权利要求1所述TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法，其特征在于，所述的TiAl合金圆环的内表面采用正公差，精度为0～+0.01mm；该TiAl合金圆环内表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
3.如权利要求1所述TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法，其特征在于，所述Ti2AlNb合金粉末的用量包括TiAl合金圆环内孔的Ti2AlNb合金粉末填充量，以及包套组件中的上包套端盖内表面圆弧状凹槽内的填充量和下包套端盖内表面圆弧状凹槽内的填充量；所述上包套端盖内表面圆弧状凹槽内填充的Ti2AlNb合金粉末和下包套端盖内表面圆弧状凹槽内填充的Ti2AlNb合金粉末均用于所述TiAl合金圆环内孔中Ti2AlNb合金粉末的补缩；所述补缩的Ti2AlNb合金粉末的用量通过公式(1)和(2)确定：
6h2R1-2h3-3(1-α)Hr2＝0 (1)
R＝(1.02～1.05)r (2)
公式中，α为粉体的收缩系数；R1为弧形凹槽的半径；h为弧形凹槽的高度，R为弧型凹槽槽口处的半径；r为TiAl圆环的内径的一半，H为TiAl合金圆环的高度。
4.如权利要求1所述TiAl合金与Ti2AlNb粉末制备环形件的方法，其特征在于，所述的包套包括配合使用的上包套和下包套；
所述上包套是由一个圆形不锈钢板，和在该圆形不锈钢板一个端面的外缘处轴向凸出的对合凸台组成，其外形呈“叵”字形；在该上包套有对合凸台的端面中心有圆弧形的凹槽；在该凹槽的中心有贯通的气孔；除气管固定在该上包套端盖外表面中心，并使该除气管与所述气孔同轴；所述对合凸台处的内径与TiAl合金圆环的外径相同；
所述下包套亦是由一个圆形不锈钢板，和在该圆形不锈钢板一个端面的外缘处轴向凸出的对合凸台组成，其外形呈“叵”字形；在该下包套有对合凸台的端面中心有圆弧形的凹槽；所述对合凸台处的内径与TiAl合金圆环的外径相同；
所述上包套中心凹槽的底半径与下包套端盖中心凹槽的底半径相同；所述上包套中心凹槽的高度与下包套端盖中心凹槽的高度相同。
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