CN108526676A - 热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法 - Google Patents

热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法 Download PDF

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Abstract

一种热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，通过热等静压炉均匀的施加连接压力，利用异种合金之间的元素浓度差，在高温高压条件下，使元素扩散引起界面处的成分差异，进而发生反应，获得新的连接层，避免了施加机械力而导致的试样内部及其连接界面处存在较大的残余应力，实现了TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件的可靠连接。本发明在TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件的装配时，采用小锥度角配合，有效地降低了直角配合时脱焊的可能性，并有效的减少过盈配合时连接界面处所产生的压应力，有利于更加精确的控制接头的组织。本发明的工装简单、工艺简单、经济性好，有利于拓展TiAl系金属间化合物的实际工程应用范围。

Description

热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法
技术领域
本发明涉及异种金属间化合物扩散连接技术领域，具体是一种TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件热等静压扩散连接方法。
背景技术
随着航空技术的飞速发展，对材料的高温性能要求越来高，为了满足高性能航空发动机的要求，人们开始研究新型的高温结构材料。TiAl系金属间化合物由于具有优异的比强度、比刚度和高温抗氧化、抗蠕变性能，其密度仅为镍基高温合金密度的一半不到，是钛合金使用温度上线和高温合金使用温度下线区间的唯一候选轻质结构材料，引起了材料研究者的广泛重视，并可能成为未来最具有发展潜力的轻质高温结构材料之一。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。在制备复杂结构件的时候，较传统的扩散连接方法，热等静压扩散连接技术可以连接接触面具有复杂形状的零件，并实现严格的尺寸控制，是一种精密成型连接工艺。对扩展Ti-Al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系金属间化合物的连接进行了大量的研究和探讨。
唐斌等人在公开号为CN103785944A的发明创造中提出了一种连接TiAl合金的方法。该方法先在较低的连接温度下对合金进行扩散连接，随后在1135℃退火保温2～12h,获得了良好的接头。但是，该方法只涉及同种合金的扩散连接技术及其组织调控方法，而未涉及异种合金环形件的扩散连接技术。
何鹏等人在公开号为CN101176946A的发明创造中提出一种以置氢钛合金箔片或置氢钛作为中间层的同种TiAl合金扩散连接技术。该方法采用置氢钛合金箔片或置氢钛作为中间层，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，易在扩散连接界面处萌生裂纹，造成机构失效。
宋晓国等人在公开号为CN105798499A的发明创造中提出了一种采用复合金属箔连接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。
贾建等人在公开号为CN 103447759A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。
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％。但其只涉及异种材料的连接，未涉及环形件的连接。对于环形件的连接，其面临的难题将更加复杂和多样。
目前，对于热等静压TiAl系金属间化合物的环形件扩散连接技术还未见报道。因此，有必要探索和提供一种Ti-l系金属间化合物环形件的连接技术，使得此两种金属间化合物能够发挥其各自的性能优势，从而达到物尽其用的效果。
发明内容
为解决现有技术不能用于热等静压TiAl系金属间化合物的环形件扩散连接的问题，本发明提出了一种热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法。
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Ti2AlNb合金圆盘。
所述TiAl合金圆环内表面为负公差，精度为0～-0.01mm，Ti2AlNb合金圆盘外表面为正公差，精度为0～+0.01mm。所述TiAl合金圆环内表面粗的糙度与Ti2AlNb合金圆盘外表面的粗糙度均小于0.4。所述TiAl合金圆环的长度为40mm；所述Ti2AlNb 合金圆盘的两端均比该TiAl合金圆环长出3mm。所述TiAl合金圆环的内表面为锥面，所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面亦为锥面，并且TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述 Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度相同。
步骤2，制作包套：
所述包套包括对合使用的上包套和下包套；所述上包套外缘有对合凸台端端面的中心和下包套外缘有对合凸台端端面的中心分别有凹槽，并且上包套的凹槽与Ti2AlNb 合金圆盘上端间隙配合，下包套的凹槽与Ti2AlNb合金圆盘下端间隙配合；所述上包套有对合凸台端的端面和所述下包套有对合凸台端的端面均分别与所述TiAl合金圆环的一个端面间隙配合。
步骤3，表面处理；
步骤4，TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配；得到组合件。
步骤5，热等静压扩散连接：
将得到的组合件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理。所述热等静压扩散连接处理时，使热等静压炉的炉温以阶梯升温的方式升温至930℃～1030℃，通过热等静压炉的压力系统对整个炉腔内施加100MPa～160MPa的压力并保持2h～4h，保压结束后，以阶梯降温的方式随炉冷却至室温。完成对所述组合件的热等静压扩散连接。
所述阶梯升温的具体过程是：热等静压炉的炉温升至200℃～400℃，并保温20min～40min；保温结束后该热等静压炉的炉温升至500℃～650℃，并保温 20min～40min；该热等静压炉继续以10℃/min的升温速率，使热等静压炉的炉温升至 930℃；
所述阶梯降温的具体过程是：随炉冷却至600℃～800℃并保温20min～40min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至400℃～600℃并保温20min～40min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至室温。
步骤6，后处理。
热等静压扩散连接完成后，去除包套组件，并进行机械加工。至此，完成了Ti2AlNb合金与TiAl合金环形件的热等静压扩散连接。
本发明提供了一种热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，结构简单、装配简单、工艺性好，通过热等静压炉均匀的施加一个连接压力，避免了施加机械力而导致的试样内部及其连接界面处存在较大的残余应力；在连接界面的紧密结合下，通过两种合金之间的元素浓度梯度差，可实现TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件的可靠连接。其中，TiAl合金在外侧，Ti2AlNb合金在内侧。
本发明的步骤一中，为了保证两个连接界面的紧密结合，采用小锥度角配合连接。即，在机械加工的时候，所述TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度4～20°。
本发明步骤四中装配组合时，TiAl合金环形件在Ti2AlNb环形件上面，如图2 所示。
本发明通过异种合金之间的元素浓度差，在高温高压条件下，元素扩散引起界面处的成分差异，进而发生反应，获得新的连接层，使得两种材料可以焊接到一起。选用热等静压方法可以避免通过传统压头施加机械应力的不均匀性，在成型结构件时可避免造成应力集中，如图2所示，是热等静压扩散连接保温过程中的整体应力示意图，可以观察到保温过程中的整体应力是非常均匀的。同时，本发明在TiAl合金和Ti2AlNb 合金环形件的装配时，采用小锥度角配合，有效地降低了直角配合时脱焊的可能性，提高了接头连接的的可靠性；另一方面，采用小锥度角配合可以有效的减少过盈配合时连接界面处所产生的压应力，有利于更加精确的控制接头的组织，可以实现TiAl 合金和Ti2AlNb合金环形件的可靠连接。本发明的工装简单、工艺简单、经济性好，有利于拓展TiAl系金属间化合物的实际工程应用范围。
附图说明
图1是包套结构示意图。
图2是TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件装配示意图。
图3是Ti2AlNb合金与TiAl合金热等静压扩散连接的工艺曲线。
图4是Ti2AlNb合金与TiAl合金热等静压扩散连接环形件。
图5是热等静压扩散连接保温过程中的整体应力示意图。
图6是本发明的流程图。
图中：1.上包套；2.下包套；3.焊缝；4.TiAl合金圆环；5.Ti2AlNb合金圆盘。
具体实施方式
实施例1：
本实施例是一种通过热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，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Ti2AlNb合金圆盘。
按照设计要求，通过线切割将TiAl合金和Ti2AlNb合金锻坯分别加工成TiAl合金圆环4和Ti2AlNb合金圆盘5。加工过程中，TiAl合金圆环内表面为负公差，精度为0～-0.01mm，Ti2AlNb合金圆盘外表面为正公差，精度为0～+0.01mm，使二者之间之间间隙配合。所述TiAl合金圆环内表面粗的糙度与Ti2AlNb合金圆盘外表面的粗糙度均小于0.4。所述TiAl合金圆环的长度为40mm；所述Ti2AlNb合金圆盘的两端均比该TiAl合金圆环长出3mm。所述TiAl合金圆环的内表面为锥面，所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面亦为锥面，并且TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度相同，均为4～20°。本实施例中，所述TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度均为6°。
步骤2，制作包套。
根据设计要求，通过机械加工获得所需的包套。
所述包套包括上包套1和下包套2；该上包套与下包套的外形均为“叵”字形，并且对合使用。
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；在所述有对合凸台的端面的中心有凹槽，并且该凹槽的内表面均为斜面；该斜面的最大直径和最小直径均与所述Ti2AlNb合金圆盘上端的最大直径和最小直径相同。
所述下包套2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；在所述有对合凸台的端面的中心有凹槽，并且该凹槽的内表面均为斜面；该斜面的最大直径和最小直径均与所述Ti2AlNb合金圆盘下端的最大直径和最小直径相同。
所述上包套凹槽的斜面与下包套凹槽的斜面的角度均为6°。
所述上包套1有对合凸台端的端面和所述下包套2有对合凸台端的端面均分别与所述TiAl合金圆环4的一个端面间隙配合。
步骤3，表面处理。
对得到的TiAl合金圆环内表面和Ti2AlNb合金圆盘外表面进行酸洗处理后，浸入无水乙醇中超声波清洗15～20min；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除油、涂抹止焊剂。
步骤4，TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配。
将所述下包套置于真空环境中；将Ti2AlNb合金圆盘的一端放入下包套的中心，将TiAl合金圆环从上至下缓慢套在Ti2AlNb合金圆盘上，避免接触面有碰撞；将所述的上包套1中心的凹槽套在所述Ti2AlNb合金圆盘上。将所述上包套外缘下端面与所述下包套外缘上端面焊接，焊缝位置在所述上包套和下包套的中间，如图2中3所示，完成对TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配，得到组合件。
步骤5，热等静压扩散连接。
将得到的组合件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理。所述热等静压扩散连接处理时，使热等静压炉的炉温以阶梯升温的方式升温至930℃，通过热等静压炉的压力系统对整个炉腔内施加160MPa的压力并保持2h，保压结束后，以阶梯降温的方式随炉冷却至室温。完成对所述组合件的热等静压扩散连接。
所述阶梯升温的具体过程是：热等静压炉的炉温升至300℃，并保温30min；保温结束后该热等静压炉的炉温升至600℃，并保温30min；该热等静压炉继续以10℃/min 的升温速率，使热等静压炉的炉温升至930℃；所述升温过程的升温速率均为10℃ /min。
所述阶梯降温的具体过程是：随炉冷却至800℃并保温30min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至600℃并保温20min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至室温。
步骤6，后处理。
热等静压扩散连接完成后，通过机械加工去除包套组件，并根据设计进行机械加工。
至此，完成了Ti2AlNb合金与TiAl合金环形件的热等静压扩散连接。
实施例二：
本实施例是一种通过热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，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Ti2AlNb合金圆盘。
按照设计要求，通过线切割将TiAl合金和Ti2AlNb合金锻坯分别加工成TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘。加工过程中，TiAl合金圆环内表面为负公差，精度为 0～-0.01mm，Ti2AlNb合金圆盘外表面为正公差，精度为0～+0.01mm，使二者之间的配合面之间间隙配合。所述TiAl合金圆环与Ti2AlNb合金圆盘的配合面的粗糙度均小于 0.4。所述TiAl合金圆环的长度为40mm；所述Ti2AlNb合金圆盘的两端均比该TiAl 合金圆环长出3mm。所述TiAl合金圆环的内表面为锥面，所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面亦为锥面，并且TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度相同，均为6°。
步骤2，制作包套。
根据设计要求，机械加工不锈钢板获得所需的包套。所述包套包括上包套1和下包套2；该上包套与下包套的外形均为“叵”字形，并且对合使用。
所述上包套1的中心和下包套2的中心均有凹槽，并且各所述凹槽的内表面均为斜面，使该上包套凹槽的斜面与下包套凹槽的斜面的角度均为6°。
所述上包套1凹槽的内表面与Ti2AlNb合金圆盘的外表面之间间隙配合；所述上包套1凹槽的内表面与Ti2AlNb合金圆盘的外表面之间间隙配合。
步骤3，表面处理。
对得到的TiAl合金圆环内表面和Ti2AlNb合金圆盘外表面进行酸洗处理后，浸入无水乙醇中超声波清洗15～20min；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除油、涂抹止焊剂。
步骤4，TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配。
将所述下包套置于真空环境中；将Ti2AlNb合金圆盘的一端放入下包套的中心，将TiAl合金圆环从上至下缓慢套在Ti2AlNb合金圆盘上，避免接触面有碰撞；将所述的上包套1中心的凹槽套在所述Ti2AlNb合金圆盘上。将所述上包套外缘下端面与所述下包套外缘上端面焊接，焊缝位置在所述上包套和下包套的中间，如图2中3所示，完成对TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配，得到组合件。
步骤5，热等静压扩散连接。
将得到的组合件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理。所述热等静压扩散连接处理时，使热等静压炉的炉温以阶梯升温的方式升温至980℃，通过热等静压炉的压力系统对整个炉腔内施加130MPa的压力并保持4h，保压结束后，以阶梯降温的方式随炉冷却至室温。完成对所述组合件的热等静压扩散连接。
所述阶梯升温的具体过程是：热等静压炉的炉温升至200℃，并保温40min；保温结束后该热等静压炉的炉温升至500℃，并保温40min；该热等静压炉继续以10℃/min 的升温速率，使热等静压炉的炉温升至980℃；所述升温过程的升温速率均为10℃ /min。
所述阶梯降温的具体过程是：随炉冷却至600℃并保温40min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至400℃并保温20min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至室温。
步骤6，后处理。
热等静压扩散连接完成后，通过机械加工去除包套组件，并根据设计进行机械加工。
至此，完成了Ti2AlNb合金与TiAl合金环形件的热等静压扩散连接。
实施例三：
本实施例是一种通过热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，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Ti2AlNb合金圆盘。
按照设计要求，通过线切割将TiAl合金和Ti2AlNb合金锻坯分别加工成TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘。加工过程中，TiAl合金圆环内表面为负公差，精度为 0～-0.01mm，Ti2AlNb合金圆盘外表面为正公差，精度为0～+0.01mm，使二者之间的配合面之间间隙配合。所述TiAl合金圆环与Ti2AlNb合金圆盘的配合面的粗糙度均小于 0.4。所述TiAl合金圆环的长度为40mm；所述Ti2AlNb合金圆盘的两端均比该TiAl 合金圆环长出3mm。所述TiAl合金圆环的内表面为锥面，所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面亦为锥面，并且TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度相同，均为6°。
步骤2，制作包套。
根据设计要求，机械加工不锈钢板获得所需的包套。所述包套包括上包套1和下包套2；该上包套与下包套的外形均为“叵”字形，并且对合使用。
所述上包套1的中心和下包套2的中心均有凹槽，并且各所述凹槽的内表面均为斜面，使该上包套凹槽的斜面与下包套凹槽的斜面的角度均为6°。
所述上包套1凹槽的内表面与Ti2AlNb合金圆盘的外表面之间间隙配合；所述上包套1凹槽的内表面与Ti2AlNb合金圆盘的外表面之间间隙配合。
步骤3，表面处理。
对得到的TiAl合金圆环内表面和Ti2AlNb合金圆盘外表面进行酸洗处理后，浸入无水乙醇中超声波清洗15～20min；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除油、涂抹止焊剂。
步骤4，TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配。
将所述下包套置于真空环境中；将Ti2AlNb合金圆盘的一端放入下包套的中心，将TiAl合金圆环从上至下缓慢套在Ti2AlNb合金圆盘上，避免接触面有碰撞；将所述的上包套1中心的凹槽套在所述Ti2AlNb合金圆盘上。将所述上包套外缘下端面与所述下包套外缘上端面焊接，焊缝位置在所述上包套和下包套的中间，如图2中3所示，完成对TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配，得到组合件。
步骤5，热等静压扩散连接。
将得到的组合件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理。所述热等静压扩散连接处理时，使热等静压炉的炉温以阶梯升温的方式升温至1030℃，通过热等静压炉的压力系统对整个炉腔内施加100MPa的压力并保持3h，保压结束后，以阶梯降温的方式随炉冷却至室温。完成对所述组合件的热等静压扩散连接。
所述阶梯升温的具体过程是：热等静压炉的炉温升至400℃，并保温30min；保温结束后该热等静压炉的炉温升至650℃，并保温20min；该热等静压炉继续以10℃/min 的升温速率，使热等静压炉的炉温升至1030℃；所述升温过程的升温速率均为10℃ /min。
所述阶梯降温的具体过程是：随炉冷却至650℃并保温30min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至450℃并保温40min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至室温。
步骤6，后处理。
热等静压扩散连接完成后，通过机械加工去除包套组件，并根据设计进行机械加工。
至此，完成了Ti2AlNb合金与TiAl合金环形件的热等静压扩散连接。

Claims (3)

1.一种热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，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Ti2AlNb合金圆盘；
步骤2，制作包套；
步骤3，表面处理；
步骤4，TiAl合金圆环和Ti2AlNb合金圆盘的装配：得到组合件；
步骤5，热等静压扩散连接：
将得到的组合件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理；所述热等静压扩散连接处理时，使热等静压炉的炉温以阶梯升温的方式升温至930℃～1030℃，通过热等静压炉的压力系统对整个炉腔内施加100MPa～160MPa的压力并保持2h～4h，保压结束后，以阶梯降温的方式随炉冷却至室温；完成对所述组合件的热等静压扩散连接；
所述阶梯升温的具体过程是：热等静压炉的炉温升至200℃～400℃，并保温20min～40min；保温结束后该热等静压炉的炉温升至500℃～650℃，并保温20min～40min；该热等静压炉继续以10℃/min的升温速率，使热等静压炉的炉温升至930℃；
所述阶梯降温的具体过程是：随炉冷却至600℃～800℃并保温20min～40min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至400℃～600℃并保温20min～40min；保温结束后该热等静压炉的炉温随炉冷却至室温；
步骤6，后处理：
热等静压扩散连接完成后，去除包套组件，并进行机械加工；至此，完成了Ti2AlNb合金与TiAl合金环形件的热等静压扩散连接。
2.如权利要求1所述热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，其特征在于，所述TiAl合金圆环内表面为负公差，精度为0～-0.01mm，Ti2AlNb合金圆盘外表面为正公差，精度为0～+0.01mm；所述TiAl合金圆环内表面粗的糙度与Ti2AlNb合金圆盘外表面的粗糙度均小于0.4；所述TiAl合金圆环的长度为40mm；所述Ti2AlNb合金圆盘的两端均比该TiAl合金圆环长出3mm；所述TiAl合金圆环的内表面为锥面，所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面亦为锥面，并且TiAl合金圆环的内表面的锥度与所述Ti2AlNb合金圆盘的外表面的锥度相同。
3.如权利要求1所述热等静压扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金环形件的方法，其特征在于，所述包套包括对合使用的上包套和下包套；所述上包套外缘有对合凸台端端面的中心和下包套外缘有对合凸台端端面的中心分别有凹槽，并且上包套的凹槽与Ti2AlNb合金圆盘上端间隙配合，下包套的凹槽与Ti2AlNb合金圆盘下端间隙配合；所述上包套有对合凸台端的端面和所述下包套有对合凸台端的端面均分别与所述TiAl合金圆环的一个端面间隙配合。
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