CN109746561A - Tc17合金与tc4合金的固态连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态连接领域，尤其涉及一种异质钛合金的固态连接方法，其包括将TC17合金放入高温炉中进行热处理，然后炉冷至室温的步骤；进一步采用SiC水砂纸，分别对处理后得到的TC17合金试件与TC4合金试件待连接表面打磨；然后将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，用吹风机吹干备用的步骤；进一步将TC17合金试件与TC4合金试件打磨表面紧密贴合，并置入热模拟试验机中抽取真空，并保证恒温恒压5～20min后卸压降温，最终将连接后的合金试件水冷至室温的步骤。本发明对TC17合金进行热处理可以调控TC17合金的微观组织，获得断裂韧性较好的片层组织TC17合金，并与疲劳强度较高的等轴组织TC4合金进行固态连接，实现了双性能异质钛合金的有效连接。
Description
技术领域
本发明涉及固态连接领域，尤其涉及一种异质钛合金的固态连接方法。
背景技术
现代航空航天关键构件的服役条件非常复杂，构件不同区域的受力状态与服役要求不尽相同。例如航空发动机中的压气机盘在服役过程中，其盘体与盘缘存在一定的温度梯度与应力梯度，这就要求盘体与盘缘具有不同的力学性能，即实现构件的双性能，适应构件不同区域的服役条件，提高构件的服役寿命，进而提高发动机的工作效率。钛合金在航空航天领域得到了广泛应用，其综合性能优异能够适应不同的服役条件。根据服役要求的不同，选择具有不同力学性能的异质钛合金进行连接，可以实现构件的双性能，满足复杂服役要求，达到装备减重、提高可靠性的目标。
固态连接是一种先进的连接方法，可以在低于焊接材料熔点的温度下施加一定的压力，促使两个相互贴合的表面形成牢固接头。连接接头质量高，接头组织与母材接近，连接效率高，已广泛应用于钛合金连接构件制造领域。文献1“H.S.Lee,J.H.Yoon,Y.M.Yi,Oxidation behavior of titanium alloy under diffusion bonding.ThermochimicaActa,2007,455:105-108”公开了一种TC4合金固态连接方法，在连接温度850～950℃、压力3MPa、时间1～3h的条件下获得了高质量的Ti-6Al-4V合金连接接头。文献2“X.R.Wang,Y.Q.Yang,X.Luo,W.Zhang,G.M.Zhao,B.Huang,An investigation of Ti-43Al-9V/Ti-6Al-4V interface by diffusion bonding.Intermetallics,2013,36:127-132”公开了一种γ-TiAl与TC4合金固态连接方法，在连接温度920℃，连接压力45MPa，恒温恒压时间2h下获得了高质量的固态连接接头。
由上述钛合金固态连接方法可以看出，需要较长的恒压保温时间来获得牢固的连接接头，而较长的恒温恒压时间不仅会增加构件制造成本，还会导致基体组织粗化、降低连接接头的使用性能，限制了固态连接在异质钛合金连接构件制造中的应用。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种实现双性能异质钛合金有效连接，且连接接头性能优良，且有效节省连接时间的TC17合金与TC4合金的固态连接方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：一种TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：
(1)将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为900-950℃，保温时间为10-30min，然后炉冷至室温；
(2)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸，分别对步骤(1)处理后得到的TC17合金试件与TC4合金试件待连接表面逐级打磨；然后将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-20min后，用吹风机吹干备用；
(3)将所述TC17合金试件与TC4合金试件打磨表面紧密贴合，并置入热模拟试验机中抽取真空；
(4)当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3-10-1Pa时，以5℃·s-1的速率升温至800-820℃，保温5-10min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在800-820℃，然后设定连接压力至10-25MPa，并保证恒温恒压5～20min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
进一步的，还包括将所述步骤(1)中热处理后的TC17合金试件与TC4合金试件分别加工成尺寸为Ф8-14mm×6-10.5mm的连接试件的步骤。
进一步的，所述步骤(3)中的热模拟试验机的型号为美国DSI公司生产的Gleeble-3500。
进一步的，所述步骤(4)中具体的是：当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3Pa时，以5℃·s-1的速率升温至820℃，保温5min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在820℃，然后设定连接压力至20MPa，并保持恒压20MPa，保证恒温恒压时间为5min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
本发明具有以下有益的技术效果：本发明对TC17合金进行热处理可以调控TC17合金的微观组织，获得断裂韧性较好的片层组织TC17合金，并与疲劳强度较高的等轴组织TC4合金进行固态连接，实现了双性能异质钛合金的有效连接。经测试，利用本发明得到的连接接头组织致密无缺陷，接头的室温剪切强度为657～724MPa，达到了TC4合金母材室温剪切强度720MPa的91％～101％。同时，恒温恒压时间也由背景技术的60min以上缩短至5～20min。
附图说明
图1：为本发明方法中固态连接前TC17合金与TC4合金微观组织照片；其中图1(a)为供应态TC17合金光镜照片；图1(b)为供应态TC4合金光镜照片；
图2：为本发明方法中热处理后TC17合金微观组织照片；
图3：为本发明方法实施例2得到的TC17合金与TC4合金的固态连接接头扫描电镜照片；
图4：为本发明方法实施例3得到的TC17合金与TC4合金的固态连接接头扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：一种TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：
(1)将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为900-950℃，保温时间为10-30min，然后炉冷至室温；
(2)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸，分别对步骤(1)处理后得到的TC17合金试件与TC4合金试件待连接表面逐级打磨；然后将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-20min后，用吹风机吹干备用；
(3)将所述TC17合金试件与TC4合金试件打磨表面紧密贴合，并置入热模拟试验机中抽取真空；
(4)当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3-10-1Pa时，以5℃·s-1的速率升温至800-820℃，保温5-10min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在800-820℃，然后设定连接压力至10-25MPa，并保证恒温恒压5～20min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
实施例2：与实施例1相同，不同的是：本发明包括以下步骤：
(1)将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为910℃，保温时间为20min，然后炉冷至室温；
(2)将热处理后的TC17合金与TC4合金加工成尺寸为Ф10mm×7.5mm的连接试件，依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#SiC水砂纸，分别对步骤(1)处理后得到的TC17合金试件与TC4合金试件待连接表面逐级打磨；然后将将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗20min后，用吹风机吹干备用；
(3)将所述TC17合金与TC4合金试件研磨表面紧密贴合，并置入Gleeble-3500型热模拟试验机中抽取真空；
(4)当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3Pa时，以5℃·s-1的速率升温至820℃，保温5min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在820℃，然后设定连接压力至20MPa，并保证恒温加压5min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
由图1可以看出TC4合金微观组织由等轴初生α晶粒和少量的β相组成，由图2可以看出，热处理后TC17合金微观组织由不同方向的α片层簇组成，片层组织TC17合金断裂韧性较好，等轴组织TC4合金疲劳强度较高，按照上述实施例步骤可以实现双性能TC17合金与TC4合金的固态连接。由图3可以看出，连接界面仅存在尺寸较小的圆形空洞，连接接头结合良好。经检测，连接接头的室温剪切强度为657MPa，接头室温剪切强度为TC4合金母材室温剪切强度(720MPa)的91％，接头性能良好。
实施例3：与实施例2相同，不同的是步骤(4)中的最后一步：并保证恒温加压20min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
由图4可以看出，接头组织致密无缺陷，连接接头结合良好。经检测，连接接头的室温剪切强度为724MPa，高于TC4合金母材室温剪切强度(720MPa)，接头性能良好。
实施例4：与实施例1相同，不同的是：一种TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：
步骤(1)中是将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为900℃，保温时间为30min，然后炉冷至室温；
步骤(2)中是将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15min后，用吹风机吹干备用；
步骤(4)中是当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3Pa时，以5℃·s-1的速率升温至800℃，保温10min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在800℃，然后设定连接压力至10MPa，并保证恒温恒压20min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
实施例5：与实施例1相同，不同的是：一种TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：
步骤(1)中将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为920℃，保温时间为20min，然后炉冷至室温；
步骤(2)中是将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗17min后，用吹风机吹干备用；
步骤(4)中是当热模拟试验机中的真空度达到5×10-2Pa时，以5℃·s-1的速率升温至810℃，保温7min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在810℃，然后设定连接压力至18MPa，并保证恒温恒压15min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
实施例6：与实施例1相同，不同的是：一种TC17合金与TC4合金的固态连接方法，包括以下步骤：
步骤(1)中将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为950℃，保温时间为10min，然后炉冷至室温；
步骤(2)中是将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗20min后，用吹风机吹干备用；
步骤(4)中是当热模拟试验机中的真空度达到5×10-1Pa时，以5℃·s-1的速率升温至820℃，保温5min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在820℃，然后设定连接压力至25MPa，并保证恒温恒压5min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种TC17合金与TC4合金的固态连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将TC17合金放入高温炉中进行热处理，热处理温度为900-950℃，保温时间为10-30min，然后炉冷至室温；
(2)依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的SiC水砂纸，分别对步骤(1)处理后得到的TC17合金试件与TC4合金试件待连接表面逐级打磨；然后将TC17合金试件与TC4合金试件均放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗15-20min后，用吹风机吹干备用；
(3)将所述TC17合金试件与TC4合金试件打磨表面紧密贴合，并置入热模拟试验机中抽取真空；
(4)当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3-10-1Pa时，以5℃·s-1的速率升温至800-820℃，保温5-10min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在800-820℃，然后设定连接压力至10-25MPa，并保证恒温恒压5～20min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
2.如权利要求1所述的TC17合金与TC4合金的固态连接方法，其特征在于，还包括将所述步骤(1)中热处理后的TC17合金试件与TC4合金试件分别加工成尺寸为Ф8-14mm×6-10.5mm的连接试件的步骤。
3.如权利要求1所述的TC17合金与TC4合金的固态连接方法，其特征在于，所述步骤(3)中的热模拟试验机的型号为Gleeble-3500。
4.如权利要求1-3任一所述的TC17合金与TC4合金的固态连接方法，其特征在于，所述步骤(4)中具体的是：当热模拟试验机中的真空度达到5×10-3Pa时，以5℃·s-1的速率升温至820℃，保温5min使得试件受热均匀，此时仍然保持温度在820℃，然后设定连接压力至20MPa，并保持恒压20MPa，保证恒温恒压时间为5min后卸压降温，最终，将连接后的合金试件水冷至室温。
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