CN108555305B - Ti2AlNb合金和TiAl粉末制备环形件的方法 - Google Patents

Ti2AlNb合金和TiAl粉末制备环形件的方法 Download PDF

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Abstract

一种Ti2AlNb合金和TiAl粉末制备环形件的方法，直接进行合金和粉末的热等静压扩散连接处理，将粉末的成型和异种合金的扩散连接过程合二为一，缩减了成型过程，减少了制备成本。本发明粉体和合金之间未添加中间层，结构简单工艺性好，通过粉末和合金之间的元素直接扩散获得了单一反应层。同时，热等静压方法可为获得异种合金扩散连接环形件提供一个均匀连接应力分布，减少了应力集中，有利于实现TiAl粉末和Ti2AlNb合金的可靠连接。TiAl粉末部分采用突出半球设计，弥补了热等静压成型过程中TiAl粉末的收缩量，可得到更为精确的环形结构件，有利于拓展TiAl系金属间化合物的工程应用范围。

Description

Ti2AlNb合金和TiAl粉末制备环形件的方法
技术领域
本发明涉及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粉末和Ti2AlNb锻件热等静压扩散连接制备环形件的方法。
背景技术
TiAl系金属间化合物由于具有密度低、比强度、比刚度高、高温抗氧化和蠕变性能优良等特点，被认为是为最具有希望替代传统高温合金的新型轻质结构材料，在汽车涡轮增压器、航空发动机、航天飞行器等领域拥有广泛的应用前景。其中TiAl合金的使用温度可达700～900℃，Ti2AlNb合金使用温度可达650℃，虽然TiAl合金比 Ti2AlNb合金的使用温度更高，但是，TiAl合金的塑性较Ti2AlNb合金更差，传统的熔炼铸造等方式在其冶金过程中易出现成分偏析等缺陷，而采用粉末冶金方法则可以制成预合金粉，避免了成分偏析，有利于制备更优异的TiAl合金。Ti2AlNb合金的塑性较好，可利用传统的熔炼铸造、锻造等手段获得高质量的Ti2AlNb合金坯料，是一种成型性能较好的金属间化合物。
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，在制备大型结构件和近净成形方面具有独到的优势。本发明基于热等静压扩散连接工艺，提出了一种TiAl粉末和Ti2AlNb合金环形件热等静压扩散连接方法。
目前，关于异种合金的连接以及环形件的制备方面，本课题组以及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CN103447759A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。该方法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。由于需要块体在合金中间填充粉末，因此在后期的热等静压处理过程中，粉末所受到的压力均匀性受限，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CN105385869B的发明创造中提出了一种高铌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。工艺相对复杂，其设计方案未提及复杂结构件(如环形件) 的制备。
西北工业大学在申请号为201710018940.7的发明创造中，通过严格控制扩散连接工艺成功连接了TiAl合金和Ti2AlNb合金，提出了一种高Nb-TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法。在申请号为201710961380.9的发明创造中，针对异种合金环形件的制备，提出了一种高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件扩散连接方法。考虑到TiAl 合金在传统工艺制备的过程中容易产生缺陷，因此有必要避免其缺陷，并简化其后续加工过程，扩展其应用，节约成本。
目前，对于热等静压扩散连接TiAl粉末和Ti2AlNb合金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
为实现粉-固TiAl系金属间化合物环形件扩散连接，本发明提出了一种Ti2AlNb合金和TiAl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的Ti2AlNb圆盘和准备TiAl合金粉末。
制作的Ti2AlNb圆盘外表面采用正公差，精度为0～+0.01mm。对Ti2AlNb合金圆盘外表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
准备的TiAl合金粉末的用量包括Ti2AlNb圆盘周围的TiAl合金粉末填充量，以及包套组件中的上包套端盖内表面半球内的填充量和下包套端盖内表面半球内的填充量。
步骤2，制作包套组件。
所述包套组件包括包套和除气管组件。其中的除气管组件包括总除气管、七通管和六个分除气管；包套由上包套和下包套组成，并且上包套和下包套的外形均呈“叵”字形，使用时，上包套外缘的下端面与下包套外缘的上端面之间焊接，组成包套。六个分除气管的下端分别装入并焊接在所述上包套上端面均匀分布的各分通气孔内；各分除气管的上端分别装入并焊接在所述七通管下表面均匀分布的各分通气孔内。在所述各分除气管上均安装有阀门。总除气管的下端安装在所述五通管上表面中心的总通气孔内。
所述的七通管为空心圆盘，在该七通管上端面的中心有用于安装总除气管的总通气孔；在该七通管下端面均布有六个用于安装分除气管的分通气孔，并使各分通气孔环绕所述总通气孔分布。
所述的上包套的一端有端盖，为封闭端；另一端为敞口端。该上包套的内径与Ti2AlNb合金圆盘的外径相同，并使二者之间间隙配合。在所述端盖的外缘有轴向凸出的圆环状半球，在该上包套端盖的外表面形成环状的半圆形的凸起，在该上包套端盖的内表面形成环状的半圆形的凹槽；所述凹槽的半径为r。
所述的下包套与所述上包套为镜像结构。
步骤3，表面处理。
步骤4，Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末的装配。
在装配Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末时，在真空环境中将待连接的Ti2AlNb 合金圆盘装入下包套内。盖上预先固装好分除气管的上包套。对下包套的上端面和上包套的下端面进行焊接，组成包套。
通过各分除气管向Ti2AlNb合金圆盘外围填充TiAl合金粉末，振动充实，使所述TiAl合金粉末的振实密度达到为2.22～2.34g/cm3.。将所述六个分除气管的上端面与七通管的下端面固装。
所述上包套端盖内表面半球内填充的TiAl合金粉末和下包套端盖内表面半球内填充的TiAl合金粉末均用于所述TiAl合金粉末的补缩。
步骤5，除气处理。
采用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa为止。火焰依次融化六个分除气管，以封闭包套。得到粉-固装配件。
步骤6，热等静压扩散连接。
将得到的粉-固装配件放置在热等静压炉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1100℃～1200℃；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140MPa～180MPa的压力并保持3h～5h。保压结束后，随炉冷却至室温。
步骤7，后处理。
热等静压扩散连接完成后，去除包套组件并机械加工，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
本发明提供的热等静压扩散连接TiAl粉末和Ti2AlNb合金扩散连接制备环形件的方法，能够直接进行合金和粉末的热等静压扩散连接处理，将粉末的成型和异种合金的扩散连接过程合二为一，缩减了成型过程，减少了制备成本。本发明粉体和合金之间未添加中间层，结构简单，工艺性好，通过粉末和合金之间的元素直接扩散获得了单一反应层，同时，热等静压方法可为获得异种合金扩散连接环形件提供一个均匀连接应力分布，减少了应力集中，有利于实现TiAl粉末和Ti2AlNb合金的可靠连接，如图4所示。TiAl粉末部分采用突出半球设计，弥补了热等静压成型过程中TiAl粉末的收缩量，可得到尺寸更为精确的环形结构件，是一种精密成型方法，有利于拓展TiAl 系金属间化合物的工程应用范围。
本发明步骤一中，为了保证粉-固连接界面的紧密结合，采用平面接触，因此，Ti2AlNb合金的外表面要平行于中心轴，并且表面要光滑，无氧化层和残留油污。
本发明步骤二中，采取六支分除气管的目的是使得TiAl粉末能够均匀的、密实的分布在Ti2AlNb合金圆盘的周围。
所述端盖的外缘凸出的圆环状半球是为了弥补热等静压过程中TiAl粉末的收缩量，得到尺寸更为精确的构件。
附图说明
图1是包套组件的结构示意图，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B-B向视图。
图2是Ti2AlNb合金与TiAl合金粉末的装配示意图。
图3是Ti2AlNb合金与TiAl合金粉末热等静压扩散连接的工艺曲线。
图4是1200℃-160MPa-5h条件保温过程中试样整体应力分布图。
图5是本发明的流程图。
图中：1.上包套；2.下包套；3.分除气管；4.阀门；5.七通管；6.总除气管；7.Ti2AlNb 合金圆盘；8.TiAl合金粉末。
具体实施方式
本发明是一种Ti2AlNb合金和TiAl粉末扩散连接环形件制备方法。
具体过程是：
步骤1，备料。所述的备料包括制作的Ti2AlNb圆盘和准备TiAl合金粉末。
按设计要求，通过线切割将Ti2AlNb合金锻坯加工成为Ti2AlNb合金圆盘。该Ti2AlNb合金圆盘的外表面采用正公差，精度为0～+0.01mm。对Ti2AlNb合金圆盘外表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
所述TiAl合金粉末的用量包括Ti2AlNb圆盘7周围的TiAl合金粉末填充量，以及包套组件中的上包套1端盖内表面半球内的填充量和下包套2端盖内表面半球内的填充量。所述上包套端盖内表面半球内填充的TiAl合金粉末和下包套端盖内表面半球内填充的TiAl合金粉末均用于所述TiAl合金粉末的补缩。
步骤2，制作包套组件。
根据设计制作不锈钢的包套组件。
所述包套组件包括包套和除气管组件。其中的除气管组件包括总除气管6、七通管5和六个分除气管3；包套由上包套1和下包套2组成，并且上包套和下包套的外形均呈“叵”字形，使用时，上包套外缘的下端面与下包套外缘的上端面之间焊接，组成包套。六个分除气管的下端分别装入并焊接在所述上包套上端面均匀分布的各分通气孔内；各分除气管的上端分别装入并焊接在所述七通管5下表面均匀分布的各分通气孔内。在所述各分除气管上均安装有阀门4。总除气管6的下端安装在所述五通管上表面中心的总通气孔内。
所述的七通管5为空心圆盘，在该七通管上端面的中心有用于安装总除气管6的总通气孔；在该七通管下端面均布有六个用于安装分除气管3的分通气孔，并使各分通气孔环绕所述总通气孔分布。
所述的上包套1的一端有端盖，为封闭端；另一端为敞口端。该上包套的内径与Ti2AlNb合金圆盘的外径相同，并使二者之间间隙配合。在所述端盖的外缘有轴向凸出的圆环状半球，在该上包套端盖的外表面形成环状的半圆形的凸起，在该上包套端盖的内表面形成环状的半圆形的凹槽；所述凹槽的半径为r。
所述的下包套2与所述上包套为镜像结构。
步骤3，表面处理。
对得到的Ti2AlNb合金圆盘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，以待热等静压扩散连接。同时，对所述包套组件进行表面清洗和除油。
步骤4，Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末的装配。
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Ti2AlNb合金圆盘7装入下包套内。盖上预先固装好分除气管的上包套1。对下包套的上端面和上包套的下端面进行焊接，组成包套。
通过各分除气管向Ti2AlNb合金圆盘外围填充TiAl合金粉末8，振动充实，使所述TiAl合金粉末的振实密度达到为2.22～2.34g/cm3.。将所述六个分除气管3的上端面与七通管5的下端面固装。
至此，完成了Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末的装配。
步骤5，除气处理。
采用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa为止。火焰依次融化六个分除气管3，以封闭包套。得到粉-固装配件。
步骤6，热等静压扩散连接。
将得到的粉-固装配件放置在热等静压炉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1100℃～1200℃；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140MPa～180MPa的压力并保持3h～5h。保压结束后，随炉冷却至室温。
步骤7，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。
本发明通过三个实施例对所采取的技术方案做详细描述。所述三个实施例的制备过程相同。所述各实施例中热等静压扩散连接的参数分别是：
Figure BDA0001610896300000061

Claims (3)

1.一种Ti2AlNb合金和TiAl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的Ti2AlNb圆盘和准备TiAl合金粉末；
步骤2，制作包套组件；
所述包套组件包括包套和除气管组件；其中的除气管组件包括总除气管、七通管和六个分除气管；包套由上包套和下包套组成，所述上包套的一端有端盖，为封闭端；另一端为敞口端；该上包套的内表面与Ti2AlNb合金圆盘的外表面之间设有装填TiAl合金粉末的空间；在所述端盖的外缘有轴向凸出的圆环状半球，在该上包套端盖的外表面形成环状的半圆形的凸起，在该上包套端盖的内表面形成环状的半圆形的凹槽；所述凹槽的半径为r；准备的TiAl合金粉末的用量包括Ti2AlNb圆盘周围的TiAl合金粉末填充量，以及包套组件中的上包套端盖内表面半球内的填充量和下包套端盖内表面半球内的填充量；所述上包套端盖内表面半球内填充的TiAl合金粉末和下包套端盖内表面半球内填充的TiAl合金粉末均用于所述TiAl合金粉末的补缩；使用时，上包套外缘的下端面与下包套外缘的上端面之间焊接，组成包套；六个分除气管的下端分别装入并焊接在所述上包套上端面均匀分布的各分通气孔内；各分除气管的上端分别装入并焊接在所述七通管下表面均匀分布的各分通气孔内；在所述各分除气管上均安装有阀门；总除气管的下端安装在七通管上表面中心的总通气孔内；
所述的下包套与所述上包套为镜像结构；
步骤3，表面处理；
步骤4，Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末的装配；
步骤5，除气处理：
采用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa为止；火焰依次融化六个分除气管，以封闭包套；得到粉-固装配件；
步骤6，热等静压扩散连接：
将得到的粉-固装配件放置在热等静压炉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1100℃～1200℃；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140MPa～180MPa的压力并保持3h～5h；保压结束后，随炉冷却至室温；
步骤7，后处理：
热等静压扩散连接完成后，去除包套组件并机械加工，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所述一种Ti2AlNb合金和TiAl粉末制备环形件的方法，其特征在于，所述的七通管为空心圆盘，在该七通管上端面的中心有用于安装总除气管的总通气孔；在该七通管下端面均布有六个用于安装分除气管的分通气孔，并使各分通气孔环绕所述总通气孔分布。
3.如权利要求1所述一种Ti2AlNb合金和TiAl粉末制备环形件的方法，其特征在于，在装配Ti2AlNb合金圆盘与TiAl合金粉末时，在真空环境中将待连接的Ti2AlNb合金圆盘装入下包套内；盖上预先固装好分除气管的上包套；对下包套的上端面和上包套的下端面进行焊接，组成包套；
通过各分除气管向Ti2AlNb合金圆盘外围填充TiAl合金粉末，振动充实，使所述TiAl合金粉末的振实密度达到为2.22～2.34g/cm3.；将所述六个分除气管的上端面与七通管的下端面固装。
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