CN108480838B - 一种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，该方法是将TiAl合金及Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金加工成所需的尺寸；将被焊母材进行打磨、抛光处理；将被焊母材、Ti箔和钛基钎料箔放入丙酮中超声清洗；将Ti箔与TiAl合金接触，钛基钎料箔与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金接触，得到构成为Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金/钛基钎料箔/Ti箔/TiAl合金的被焊工件；把被焊工件放入真空加热炉中，施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。本发明可以控制接头中的钎料残留，抑制接头中连续脆性反应层的形成倾向，进而改善接头性能。获得的接头室温抗拉强度达到510～600MPa，650℃高温抗拉强度可以达到480MPa～510MPa。

Description

一种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法

技术领域

本发明是一种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

钛铝金属间化合物具有密度低，高的比强度、比刚度，良好的抗氧化性，抗蠕变、抗疲劳性能好等优点，是未来最具应用潜力的航空航天用轻质高温结构材料之一。在钛铝金属间化合物中，TiAl合金、Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的研究受到重视，TiAl合金的工作温度可以达到760℃～850℃，Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的工作温度可以达到700℃。与普通钛合金相比，TiAl合金、Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金可以在更高的温度下服役；与高温合金相比，它们有较低的密度，大约是高温合金的一半，应用在航空航天领域，可以得到大幅的减重效果，应用在汽车工业领域，可以实现零部件的轻量化设计与制造。但从成本和工艺可靠性上来讲，某些零部件整体采用TiAl合金来制备的难度很大，目前的TiAl合金室温塑性较低，变形能力较差，而相对来说，Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的可加工性较好。如果能够实现TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的良好连接，TiAl合金用在工作温度较高的部位，Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金用在服役温度较低的部位，就可以发挥两种材料各自的性能优势。比如航空发动机中的整体叶盘，就可以采用TiAl合金制作叶片，采用Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金制作盘件，但这首先要解决两种材料的异种连接问题。

目前关于TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金异种连接的研究报道还较少。有研究人员进行了TiAl合金与Ti₂AlNb合金的无中间层扩散焊研究，连接区域形成了Al(Nb,Ti)₂和α₂-Ti₃Al等化合物，接头室温剪切强度为260MPa，有待提高(J.Y.Zou,etal.Diffusion bonding of dissimilar intermetallic alloys based on Ti₂AlNb andTiAl[J].Journal of Materials Science and Technology,2009,25:819–824.)。采用钛基钎料钎焊连接或加压液相扩散连接TiAl合金与Ti₃Al基合金时，接头中总是有钎料残留，或连续脆性反应层形成，限制了接头性能，且这些研究获得的接头高温性能普遍偏低(H.S.Ren,et al.Vacuum brazing of Ti₃Al-based alloy to TiAl using TiZrCuNi(Co)fillers.Journal of Materials Processing Technology,2015 224:26–32；H.S.Ren,etal.Transient liquid phase diffusion bonding of Ti–24Al–15Nb–1Mo alloy to TiAlintermetallics.Materials Science&Engineering A,2016,651:45–54.)。此外，专利(CN101073850A)介绍了一种TiAl合金与Ti₃Al基合金异种材料电子束焊接热循环复合控制的方法，但该方法仅仅解决了在电子束焊接时TiAl合金侧容易产生裂纹的问题，接头性能不可知。专利(CN106808079A)发明了一种扩散连接TiAl合金与Ti₂AlNb合金的方法，该方法没有使用中间层，而是直接进行两种材料的扩散焊，该方法需要加载很大(30MPa)的轴向压力，增加了焊接难度，而且没有说明通过该方法获得的接头强度数值。综上所述，目前国内外关于TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金异种连接的研究报道还非常有限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，该方法中所述连接是指TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的连接，其目的是控制接头中脆性反应层的形成，减少合金中间层的残留，降低接头脆性倾向，实现两种母材的高质量连接。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，该方法中所述连接是指TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的连接，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、采用线切割将TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材；

步骤二、将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材、厚度为10～50μm的Ti箔和厚度为30～60μm的钛基钎料箔放入丙酮中超声清洗3～10min；

步骤三、将Ti箔与TiAl合金的待焊面接触，钛基钎料箔与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的待焊面接触，得到构成为Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金/钛基钎料箔/Ti箔/TiAl合金的被焊工件；

步骤四、将被焊工件置于真空加热炉中，并施加5～30MPa的压力，当真空加热炉中的真空度达到9×10^-2～1×10^-3Pa后开始通电加热，加热速率为5～15℃/min，加热至900℃～1020℃时在该温度下保温0.3～1.5h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，然后随炉冷至室温，即完成TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的连接。

进一步，所述钛基钎料箔的成分体系包括Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni-Co(Fe)、Ti-Zr-Fe。

进一步，步骤二中所述的Ti箔和钛基钎料箔的厚度分别为15～20μm、50～60μm。

进一步，步骤四中所施加的压力为10～20MPa。

进一步，步骤四中所述的真空加热炉中的真空度达到1×10^-3Pa后开始通电加热。

进一步，步骤四中所述的加热速率为10℃/min。

进一步，步骤四中所述的加热温度为980℃并在该温度下保温1h。

进一步，步骤四中所述的冷却速率为6℃/min，随炉冷却的起始温度为400℃。

本发明技术方案具有如下优点：

(1)仅采用钛基钎料箔作中间层连接TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金时，在接头中往往会有溶入了母材元素的残留钎料存在，这些残留的钎料硬度高，脆性大，对接头性能造成不利影响。提高焊接温度或延长保温时间虽然可以消除残留钎料，但接头中TiAl合金侧的Ti-Al相脆性反应层厚度会增加，也会恶化接头性能，同时强的焊接规范会对Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的母材组织和性能造成影响。采用本发明提出的方法时，Ti箔将钛基钎料箔与TiAl合金母材分开，降低了钛基钎料箔与TiAl合金的反应倾向，有利于控制TiAl合金侧脆性反应层厚度；同时，钛基钎料箔既要与母材反应，也要与一定厚度的Ti箔反应，可在一定的焊接规范下消除残留钎料，得到弥散强化的接头组织，降低了对焊接规范的要求，可有效避免焊接规范对母材的影响；

(2)TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金之间的焊接属于异种材料的扩散焊，由于两种母材在热膨胀系数等物理化学性能方面的差异，在焊接热循环过程中容易产生内应力，进而影响焊接效果。本发明采用的中间层Ti箔具有较好的韧性，可以缓解接头内应力，有利于保证接头性能；

(3)本发明所述的Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的固溶处理温度一般在980℃～1050℃，当焊接温度高于该固溶处理温度并保温时间超过1h时会损害母材的组织和性能。但焊接温度过低或保温时间过短时，Ti箔中间层在接头中可能会有残留，残留的Ti箔中间层不利于保证接头的高温力学性能。本发明所用Ti箔中间层较薄(10～50μm)，可以保证连接过程中Ti箔充分与母材和钛基钎料箔反应，焊接后无残留Ti箔存在，可避免纯Ti层损坏接头性能；

(4)采用本发明提出的方法，以Ti箔和钛基钎料箔作中间层，合理优化焊接参数，控制好Ti箔与钛基钎料、Ti箔与TiAl合金的反应程度，可使Ti箔充分参与反应，同时避免硬脆残留钎料物相的存在，得到较好的接头组织。本发明获得TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的异种接头室温抗拉强度达到510～600MPa，650℃高温抗拉强度可以达到480MPa～510MPa。

附图说明

图1为以Ti箔和钛基钎料箔为复合中间层获得的Ti₂AlNb/TiAl扩散焊接头的显微组织照片。

具体实施方式

实施例一

本实施例是采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法连接TiAl合金与Ti₂AlNb合金，该方法的步骤为：

步骤一、采用线切割将TiAl合金与Ti₂AlNb合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材；

步骤二、将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材、厚度为10～50μm的Ti箔和厚度为30～60μm的钛基钎料箔放入丙酮中超声清洗3～10min；

所述钛基钎料箔的成分体系包括Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni-Co(Fe)、Ti-Zr-Fe；

步骤三、将Ti箔与TiAl合金的待焊面接触，钛基钎料箔与Ti₂AlNb合金的待焊面接触，得到构成为Ti₂AlNb合金/钛基钎料箔/Ti箔/TiAl合金的被焊工件；

步骤四、将被焊工件置于真空加热炉中，并施加5～30MPa的压力，当真空加热炉中的真空度达到9×10^-2～1×10^-3Pa后开始通电加热，加热速率为5～15℃/min，加热至900℃～1020℃时在该温度下保温0.3～1.5h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，然后随炉冷至室温，即完成TiAl合金与Ti₂AlNb合金的连接。

实施例二

本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述的是采用线切割将TiAl合金与Ti₃Al基合金加工成所需的尺寸，步骤三中所述的是将Ti箔与TiAl合金的待焊面接触，钛基钎料箔与Ti₃Al基合金的待焊面接触，得到构成为Ti₃Al基合金/钛基钎料箔/Ti箔/TiAl合金的被焊工件。其它与实施例一相同。

实施例三

本实施例与实施例一不同的是：步骤三中将厚度为20～30μm的Ti箔置于丙酮中超声清洗。其它与实施例一相同。

实施例四

本实施例与实施例一不同的是：步骤三中将厚度为40～50μm的钛基钎料置于丙酮中超声清洗。其它与实施例一相同。

实施例五

本实施例与实施例一不同的是：所用钛基钎料的成分体系为Ti-Zr-Cu-Ni。其它与实施例一相同。

实施例六

本实施例与实施例一不同的是：步骤五中施加的压力为10～20MPa。其它与实施例一相同。

实施例七

本实施例与实施例一不同的是：步骤五中当真空加热炉中的真空度达到1×10^-3Pa后开始通电加热。其它与实施例一相同。

实施例八

本实施例与实施例一不同的是：步骤五中加热速率为10℃/min。其它与实施例一相同。

实施例九

本实施例与实施例一不同的是：步骤五中加热至1000℃时在该温度下保温0.5h。其它与实施例一相同。

实施例十

本实施例与实施例一不同的是：步骤五中以10℃/min的速度冷却到400℃，随后冷却至室温。其它与实施例一相同。

通过上述实施例获得的扩散焊接头组织参见附图1所示，接头中没有发现裂纹、空洞等缺陷，而且没有连续脆性反应层生成，成分分析表明接头中也没有残留的Ti箔中间层存在，获得了两种母材的高质量连接。

Claims (7)

1.一种采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，该方法中所述连接是指TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的连接，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、采用线切割将TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材；

步骤二、将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材、厚度为10～50μm的Ti箔和厚度为30～60μm的钛基钎料箔放入丙酮中超声清洗3～10min；

步骤三、将Ti箔与TiAl合金的待焊面接触，钛基钎料箔与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的待焊面接触，得到构成为Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金/钛基钎料箔/Ti箔/TiAl合金的被焊工件；

步骤四、将被焊工件置于真空加热炉中，并施加5～30MPa的压力，当真空加热炉中的真空度达到9×10^-2～1×10^-3Pa后开始通电加热，加热速率为5～15℃/min，加热至900℃～1020℃时在该温度下保温0.3～1.5h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，然后随炉冷至室温，即完成TiAl合金与Ti₂AlNb合金或Ti₃Al基合金的连接；

所述钛基钎料箔的成分体系包括Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Zr-Fe。

2.根据权利要求1所述的采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤二中所述的Ti箔和钛基钎料箔的厚度分别为15～20μm、50～60μm。

3.根据权利要求1所述的采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤四中所施加的压力为10～20MPa。

4.根据权利要求1所述的采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤四中所述的真空加热炉中的真空度达到1×10^-3Pa后开始通电加热。

5.根据权利要求1所述的采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤四中所述的加热速率为10℃/min。

6.根据权利要求1所述的采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤四中所述的加热温度为980℃并在该温度下保温1h。

7.根据权利要求1所述的采用Ti箔和钛基钎料箔作中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤四中所述的冷却速率为6℃/min，随炉冷却的起始温度为400℃。

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