CN109423587A - 超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，将钛合金板表面进行超声冲击，再将钛合金板进行升温扩散，使得接头能够紧密结合，实现钛合金自身的高强连接。本发明通过超声冲击表面改性获得晶粒细化层的方法，提高原子扩散速率和降低钛合金扩散连接参数，实现钛合金低温扩散连接。该方法操作简便，适应性好，可重复性高，绿色节能，能够大大提高工业生产效率。

Description

超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法

技术领域

本发明涉及到一种扩散连接技术，更具体的讲，通过超声冲击金属基体的扩散连接表面，在金属表面的一定深度区域内形成晶粒细化层，以降低扩散连接温度和提高扩散连接性能的方法。

背景技术

钛合金是一种具有高强度、低弹性模量、高比强度和良好的耐磨性的金属结构材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医学等先进领域。然而，一些复杂大型钛合金构件的制备涉及到连接技术，通过扩散连接可以得到复杂、精密、与母材等强的焊接接头，适用于多种应用领域。

钛合金接头组织和性能对扩散连接参数的敏感性高，因此对扩散参数的要求比较苛刻。关于钛合金自身的扩散连接已有相关的报道，杨勇等研究了2μm、4μm以及7μm三种不同晶粒尺寸的TC21合金的扩散连接工艺，结果表明，平均晶粒尺寸为2μm的TC21合金，扩散连接的界面结合率较高，接头质量较高，而晶粒尺寸较大的TC21合金的界面结合率较低。沈俊军等对不同晶粒尺寸的TC4合金进行扩散连接时，也得到相似的结果。即在同样的扩散参数下，平均晶粒尺寸越细的合金对应的界面孔洞闭合越快，扩散接头处的界面结合率越高。上述结果验证了相同工艺参数下晶粒细化有助于提高扩散连接质量。因此，对原始钛合金母材表面进行处理，使得表层晶粒细化，能够提高原子扩散效率，具有降低扩散连接参数的作用。采用表面改性钛合金连接表面得到晶粒细化层，可以实现钛合金的低温高强连接。常用的表面改性方法有高能喷丸、机械研磨、激光熔敷等，但其操作繁琐、工艺复杂、适用性差、成本高，实际应用受到了一定程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超声冲击表面改性辅助扩散连接钛合金的方法，通过超声冲击表面改性获得晶粒细化层的方法，提高原子扩散速率和降低钛合金扩散连接参数，实现钛合金低温扩散连接。该方法操作简便，适应性好，可重复性高，绿色节能，能够大大提高工业生产效率。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，在钛合金表面进行超声冲击后进行钛合金扩散连接。

在本发明技术方案中，超声冲击作为一种表面改性方式能够获得晶粒细化层，甚至形成纳米尺度的晶粒，具有高效便捷的特点，在实际生产中得到广泛应用；通过超声冲击在钛合金扩散连接表面得到晶粒细化层(一定厚度)，以提高连接界面的原子扩散效率，然后在较低扩散工艺参数下实现高强连接。这种钛合金的低温高强连接方法，一方面降低能耗，有利于实现绿色节能焊接，另一方面可以抑制钛合金母材以及扩散接头在较高温度下的晶粒长大，保证其性能。

在上述技术方案中，超声冲击功率的大小采用超声换能器振幅值来表征，其振幅范围为0～40μm，通过调节电流值的大小来改变振幅，电流越大，振幅也就越大。

在上述技术方案中，超声冲击头的移动速度为1—5mm/s，超声冲击头的直径为2～6mm，超声冲击的覆盖率用超声冲击遍数来表征，为1～10遍。

在上述技术方案中，超声冲击头为针状或者球状，优选超声冲击头材质与钛合金材质一致，以避免不同材质造成的外加元素影响。

在上述技术方案中，选择超声冲击设备为全波长类型、半波长类型或者四分之一波长类型。

在上述技术方案中，为方便加工和提高效率，选择在三维机器人手臂上设置超声冲击设备，以实现超声冲击头在三维方向上的移动和控制。

在进行扩散连接时，将超声冲击后的钛合金表面作为连接面并接触施压作为焊接时压力，在真空条件下进行升温扩散连接，此时选择钛合金扩散连接的常用参数进行实现。

在进行扩散连接时，焊接时压力为5～20MPa，优选10—20MPa；待真空扩散炉内压力低于1×10^-3MPa时，开始以10—20℃/min的升温速率自室温20—25摄氏度加热到400—450℃，然后保温10—20min，之后按5—10℃/min的升温速率加热到连接温度600℃～900℃(优选650—750摄氏度)，并保温10～60min(优选30—60min)以实现钛合金自身的扩散连接，保温时间结束后，以5—10℃/min的速率降温至400—450℃，最后随炉冷却至室温20—25摄氏度。由于压头的压力作用和TC4钛合金自身的扩散作用使得接头能够紧密结合，实现钛合金自身的高强连接。

本发明的技术方案基于超声冲击表面改性的方法，选取超声冲击对TC4钛合金表面进行改性，在较低温度下经过扩散焊试验，得到的焊接接头部位相比于未进行超声冲击表面处理的试样的焊合率高。表面层的细化程度视超声冲击参数和焊接材料而定，调整工艺参数即可控制得到纳米级尺寸的晶粒。超声冲击表面改性对金属表面有显著影响，能够明显提高扩散连接界面结合率。同时，超声冲击设备结构简单，操作方便，能够处理不同的表面，适应性强，方便结合自动化设备，能够大规模用于机械化生产。将利用超声冲击表面改性后钛合金用于低温下的扩散连接，加速了原子在扩散界面的扩散效率，有利于提高焊合率、接头强度以及降低温度参数并得到理想的焊接界面等作用。

本发明相对于直接进行扩散连接具有以下优点：

1.通过超声冲击钛合金表面得到一定厚度的晶粒细化层，在较低的温度下进行扩散连接即能够得到高强连接的接头。

2.操作简单，设备成本较低，绿色节能，对材料本身的要求不高，适用于大规模的批量生产。

附图说明

图1为本发明所使用的超声冲击设备结构示意图。

图2为本发明所使用的TC4钛合金装配结构示意图。

图3为本发明中TC4钛合金扩散连接过程中所使用的加热曲线示意图。

图4为本发明实施例中不同焊接参数下的TC4扩散接头的扫描电镜照片，其中(a)连接温度650℃表面未经超声处理的TC4扩散接头；(b)连接温度650℃表面经超声冲击处理后的TC4扩散接头；(c)连接温度720℃表面未经超声处理的TC4扩散接头；(d)连接温度720℃表面经超声冲击处理后的TC4扩散接头；(e)连接温度800℃表面未超声处理的TC4扩散接头；(f)连接温度800℃表面经超声冲击处理后的TC4扩散接头。

图5为本发明实施例中Ti2AlNb钛合金扩散接头的扫描电镜照片，其中(a)Ti2AlNb表面未处理TiAlNb扩散接头；(b)Ti2AlNb表面经过超声冲击处理扩散接头。

图6为本发明实施例中TC11钛合金扩散接头的扫描电镜照片，其中(a)TC11表面未处理扩散连接界面；(b)TC11表面经过超声冲击处理连接界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

使用附图1所示的超声冲击设备进行钛合金的超声冲击，优选超声冲击头材质与钛合金材质一致的球状冲击头或者针状冲击头，选择超声冲击设备为全波长类型，在三维机器人手臂上设置超声冲击设备，以实现超声冲击头在三维方向上的移动和控制。如附图2所示，将超声冲击后的钛合金表面进行贴合，以便进行扩散连接。

在本实例中，TC4板材在超声冲击频率为17.7kHz，电流设置为3A，此时振幅为40μm，超声冲击针直径为4mm，行走速度为1mm/s，冲击遍数为1遍的超声冲击参数下进行表面改性。之后将板材加工成5mm×5mm×4mm以及15mm×10mm×4mm的小块，并依次使用400#、1000#金刚石砂纸将其表面稍微打磨至平整，之后将它们放入丙酮中超声清洗5min后，装配好后放入真空扩散炉内进行扩散连接，设置扩散连接压力为10MPa，待扩散炉的真空室的真空度抽到1×10^-3MPa以下，然后开始加热，以20℃/min的升温速度从室温加热到400℃，并在400℃保温10min，然后以10℃/min的升温速率加热到720℃，在720℃保温30min，该步骤下的温度为连接温度；保温结束后以5℃/min的速率降温到400℃，然后随炉冷却至室温。

采用相同超声处理参数，变更连接温度进行钛合金的扩散连接，通过对比表面未进行超声冲击处理以及经过超声冲击处理后的TC4钛合金扩散连接接头，发现在较低温度下，表面进行超声冲击处理的扩散连接接头的界面结合率和空隙闭合率比未进行处理的扩散连接接头要高，连接效果较好，如附图4所示，其抗剪强度提高了12％；在同等焊接效果下，能够降低70℃左右的焊接温度，实现其低温高强连接，即超声冲击在提高钛合金扩散连接强度、降低钛合金扩散连接温度中的应用。

采用相同的超声处理方式，分别对两种钛合金—Ti2AlNb钛合金和TC11钛合金进行表面超声冲击处理，之后进行扩散连接，其中与上述TC4钛合金扩散连接工艺参数相比，Ti2AlNb钛合金的工艺参数不同之处为“连接温度为900℃，连接温度的保温时间为60min，扩散连接压力为20MPa”，TC11钛合金的工艺参数不同之处为“连接温度为700℃，连接温度的保温时间为30min，扩散连接压力为10MPa”。如附图5和6所示，对于两种钛合金的扩散接头来说，表面进行超声冲击处理的扩散连接接头的界面结合率和空隙闭合率比未进行处理的扩散连接接头要高，连接效果较好，与钛合金TC表现出基本一致的性能。

根据本发明内容记载的工艺参数进行测试，以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，在钛合金表面进行超声冲击后进行钛合金扩散连接，通过超声冲击在钛合金扩散连接表面得到晶粒细化层，以提高连接界面的原子扩散效率，然后在较低扩散工艺参数下实现高强连接。

2.根据权利要求1所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，超声冲击功率的大小采用超声换能器振幅值来表征，其振幅范围为0～40μm，通过调节电流值的大小来改变振幅，电流越大，振幅也就越大。

3.根据权利要求1所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，超声冲击头的移动速度为1—5mm/s，超声冲击头的直径为2～6mm，超声冲击的覆盖率用超声冲击遍数来表征，为1～10遍。

4.根据权利要求1所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，超声冲击头为针状或者球状，优选超声冲击头材质与钛合金材质一致，以避免不同材质造成的外加元素影响。

5.根据权利要求1所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，选择超声冲击设备为全波长类型、半波长类型或者四分之一波长类型。

6.根据权利要求1所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，选择在三维机器人手臂上设置超声冲击设备，以实现超声冲击头在三维方向上的移动和控制。

7.根据权利要求1所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，将超声冲击后的钛合金表面作为连接面并接触施压作为焊接时压力，在真空条件下进行升温扩散连接，在进行扩散连接时，焊接时压力为5～20MPa；待真空扩散炉内压力低于1×10^{- 3}MPa时，开始以10—20℃/min的升温速率自室温20—25摄氏度加热到400—450℃，然后保温10—20min，之后按5—10℃/min的升温速率加热到连接温度600℃～900℃，并保温10～60min以实现钛合金自身的扩散连接，保温时间结束后，以5—10℃/min的速率降温至400—450℃，最后随炉冷却至室温20—25摄氏度。

8.根据权利要求7所述的超声冲击表面改性辅助钛合金扩散连接方法，其特征在于，在进行扩散连接时，焊接时压力为10—20MPa；待真空扩散炉内压力低于1×10^-3MPa时，开始以10—20℃/min的升温速率自室温20—25摄氏度加热到400—450℃，然后保温10—20min，之后按5—10℃/min的升温速率加热到连接温度650—750摄氏度，并保温30—60min以实现钛合金自身的扩散连接，保温时间结束后，以5—10℃/min的速率降温至400—450℃，最后随炉冷却至室温20—25摄氏度。