CN109570765B - 一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，该方法步骤如下：（一）、将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口，对坡口清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使坡口表面无油污和其他杂质；（二）、通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,然后在Nb上成形0.5～1mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层；（三）、将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接；（四）、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。在激光增材连接过程中，Nb/Cu过渡层可有效防止钛合金与镍基高温合金产生金属间化合物，避免了裂纹的产生，实现钛合金和镍基高温合金的有效连接。

Description

一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种钛合金与镍基高温合金的激光增材连接工艺，主要用于制备钛合金与镍基高温合金梯度材料，用钛合金替代镍基高温合金减小高温合金构件重量从而提高飞行器的推重比。
背景技术
随着科学技术进步和航空航天工业的飞速发展，现代结构材料正在向兼具高的“强度/重量比”和“高断裂韧性”的方向发展。航空航天器飞行距离的不断增加，使得不断提高发动机推重比成为了航空航天发动机设计和制造的重要目标。钛合金是航空航天领域广泛应用的轻质结构材料，且具有较高耐蚀性、强度高等特点，但是随着使用温度的上升，钛合金的性能会有所下降，常规钛合金的工作温度一般在400℃左右，当温度继续上升时对于工作部件的性能就会有所影响，限制了其在发动机高温部件中的使用。而镍基高温合金由于其中加入了大量的强化元素，如W、Mo、Nb、Cr等，使其在高温环境下具有优异的力学性能、抗氧化性能和抗蠕变性能，并且在1000℃左右时仍能正常工作。采用高温合金制造发动机热端部件能极大提高发动机的工作温度，增加发动机推力，是提升发动机推重比的重要手段。因此，如果采用将钛合金与镍基高温合金结合的方式，将这种双金属结构发动机基体用于应用中，在保证发动机推力的同时，还可以大幅度的减轻发动机的重量，这将非常有助于提高航天飞行器的研究和制造水平。
在钛合金与镍基高温合金直接连接会产生金属间化合物，限制两种合金连接性能的提高。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：
一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其特征在于：该方法步骤如下：
(一)、将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口，对坡口以及周围区域用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使坡口表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,然后在Nb上成形0.5～1mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层；
(三)、将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接；
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。
(二)步骤中，Nb层和Cu层均采用Nb和Cu粉末并用氩气雾化(金属粉末都是来源于采购，制造方式属于现有！)方式制备，Nb和Cu粉末粒度为100-200目。
(三)步骤中，将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
(四)步骤中，采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围500-650℃，保温时间2-4h,随炉冷却。
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,激光成形主要工艺参数为激光功率2200-2400W、扫描速度5-7mm/s和送粉速度70-80g/min；然后在Nb上成形0.5～1mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1500-1700W、扫描速度6-8mm/s和送粉速度60-70g/min。
(三)步骤中，将钛合金和高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用高温合金粉末进行激光增材连接，高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目，激光成形主要工艺参数为激光功率1400-1600W、扫描速度6-8mm/s和送粉速度60-70g/min。
(一)步骤中的周围区域为坡口向外延伸7-15㎜。
优点效果：
解决上述问题的关键是如何改善连接区组织，消除金属间化合物，这就需要在连接过程中加入中间过渡层。
本发明的目的是提出一种钛合金与镍基高温合金的激光增材连接工艺，实现功能梯度结构零部件制造。主要用于制备钛合金与镍基高温合金梯度材料，用钛合金替代高温合金减小高温合金构件重量从而提高飞行器的推重比。
综上，本发明采用激光增材连接技术制备钛合金与镍基高温合金梯度结构材料，激光增材在制备梯度材料具有以下优势：通过优化粉体物性参数及激光工艺参数，可实现对内部显微组织、残余应力、变形及开裂的有效控制。充分利用独特的激光增材制造理念以及高能激光快速熔化/凝固冶金机制，以功能设计为先导，实现钛合金和镍基高温合金功能梯度材料的关键零部件激光增材制造，可有效满足航空航天、国防等重点领域中服役环境对材料及零件性能的苛刻要求。
本发明激光增材连接钛合金和镍基高温合金材料，最关键的就是中间过渡层的设计和优化，为实现钛合金和镍基高温合金的有效连接，首先将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式开45度坡口，通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,Ti与Nb为匀晶相图，可以完全互溶，然后在Nb上成形0.5～1mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过度层。在激光增材连接过程中，Nb/Cu过渡层可有效防止钛合金与镍基高温合金产生金属间化合物，避免了裂纹的产生，实现钛合金和镍基高温合金的有效连接。
附图说明
图1将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口。
图2通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,然后再成形0.5～1mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层。
图3将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接。
图中：1.锁紧螺钉；2.压板；3.安装底版。
图4采用镍基高温合金粉末进行激光增材连接后示意图。
具体实施方式：
首先将钛合金和镍基高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口，对坡口以及周围区域用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后用酒精和丙酮进行清洗；
通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,然后再成形0.5～1mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层。Nb和Cu粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；
将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；
采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围：500-650，随炉冷却。
实施例1：
TA15钛合金和GH4169高温合金的激光增材连接试验
1.待连接件的制备
将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式开45度坡口，尺寸为60mmx30mmx10mm。对坡口以及周围区域用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后用酒精和丙酮进行清洗。
2.实施过程
采用气化雾方式制备GH4169、Nb和Cu粉末，粉末目数为100-200目。
通过激光增材制造方法在TA15钛合金坡口表面上成形1mm厚的Nb,激光成形主要工艺参数为激光功率2400W、扫描速度6mm/s和送粉速度80g/min；然后在Nb上成形1mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1600W、扫描速度8mm/s和送粉速度70g/min。
将TA15钛合金和GH4169高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用GH4169高温合金粉末进行激光增材连接，GH4169高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目，激光成形主要工艺参数为激光功率1600W、扫描速度8mm/s和送粉速度75g/min。
TA15钛合金和GH4169高温合金激光增材连接后，采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火工艺为：600℃x2h，随炉冷却。
通过超声波探伤设备对连接区进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。
实施例2：
(一)、将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口，对坡口以及周围7mm区域用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使坡口表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5mm厚的Nb,然后在Nb上成形0.5mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层；Nb层和Cu层均采用Nb和Cu粉末并用氩气雾化方式制备，Nb和Cu粉末粒度为100目。
(三)、将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接；将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100目。激光成形主要工艺参数为激光功率1400W、扫描速度6mm/s和送粉速度6g/min。
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。退火温度范围500℃，保温时间4h,随炉冷却。
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形Nb,激光成形主要工艺参数为激光功率2200W、扫描速度7mm/s和送粉速度70g/min；然后在Nb上成形0.5mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度6mm/s和送粉速度60g/min。
通过超声波探伤设备对连接区进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。
实施例3：
(一)、将钛合金和高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口，对坡口以及周围15mm区域用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使坡口表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.7mm厚的Nb,然后在Nb上成形0.7mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层；Nb层和Cu层均采用Nb和Cu粉末并用氩气雾化方式制备，Nb和Cu粉末粒度为200目。
(三)、将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接；将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100目。激光成形主要工艺参数为激光功率1500W、扫描速度7mm/s和送粉速度65g/min。
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。退火温度范围650℃，保温时间3h,随炉冷却。
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形Nb,激光成形主要工艺参数为激光功率2300W、扫描速度5mm/s和送粉速度75g/min；然后在Nb上成形0.7mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度7mm/s和送粉速度65g/min。
通过超声波探伤设备对连接区进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。

Claims (5)

1.一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其特征在于：该方法步骤如下：
(一)、将钛合金和镍基高温合金的待连接工件通过机械加工方式制备45度坡口，对坡口以及周围区域用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使坡口表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,然后在Nb上成形0.5～1mm厚的Cu，将Nb/Cu作为连接过渡层；
(三)、将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接；
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理；
(三)步骤中，将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上成形0.5～1mm厚的Nb,激光成形主要工艺参数为激光功率2200-2400W、扫描速度5-7mm/s和送粉速度70-80g/min；然后在Nb上成形0.5～1mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1500-1700W、扫描速度6-8mm/s和送粉速度60-75g/min。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其特征在于：(二)步骤中，Nb层和Cu层均采用Nb和Cu粉末并用氩气雾化方式制备，Nb和Cu粉末粒度为100-200目。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其特征在于：(四)步骤中，采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围500-650℃，保温时间2-4h,随炉冷却。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其特征在于：
(三)步骤中，将钛合金和镍基高温合金待连接工件安装在激光增材连接工装夹具上，用镍基高温合金粉末进行激光增材连接，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目，激光成形主要工艺参数为激光功率1400-1600W、扫描速度6-8mm/s和送粉速度60-70g/min。
5.根据权利 要求1所述的一种钛合金与镍基高温合金激光增材连接的制造方法，其特征在于：(一)步骤中的周围区域为坡口向外延伸7-15㎜。
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