CN111702279B - 一种Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属间化合物异材钎焊焊后热处理技术领域，具体涉及一种Ti2AlNb基合金和γ‑TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺。该工艺包括步骤：(1)真空钎焊：将Ti2AlNb基合金和γ‑TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接；(2)将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至低于热处理温度10℃～50℃，保温5～20min；(3)随后升温至热处理温度650℃～850℃，保温1～18h；(4)随炉冷却至室温。该热处理工艺实现了钎焊接头显微组织优化，并提高了其力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属间化合物异材钎焊焊后热处理技术领域，具体涉及一种Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺。
背景技术
众所周知，发动机作为各类飞行器的心脏，其发展最大的制约就是航空、航天发动机材料的发展程度。由于航空、航天领域中发动机服役条件苛刻，这就要求材料不但室温性能优异，高温性能更要优异。同时，材料还要有良好的加工性能和高的比强度，以便于零部件加工和降低构件比重。
镍基高温合金比强度高、抗氧化性好、耐热腐蚀性优异、抗疲劳性能好，从一开始就作为航空、航天发动机零部件的材料。但是，由于其密度高且使用温度不能满足先进航空发动机的要求，限制了镍基高温合金的广泛应用。Ti-Al金属间化合物作为一种中间相化合物，由于具有密度低、弹性模量高以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化等优点，使其成为在航空、航天领域具有广阔应用前景的新型高温轻质材料。
在Ti-Al金属间化合物使用过程中，不可避免的涉及到其自身或与其他合金之间的连接问题。这其中就涉及Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材焊接。从现有国内外发表论文情况来看，Ti-Al金属间化合物的连接技术主要分为熔焊(如：弧焊、激光焊及电子束焊等)和固态焊接(如：扩散焊、自蔓延高温合成及摩擦焊等)，而这些方法都有各自难以克服的问题。与之相比，钎焊本身具有很多优点，例如：钎焊温度低、对母材影响小、接头残余应力小，可以根据连接温度、接头强度要求选择多种填充金属，适合连接难熔化的金属和异种金属。因此，采用钎焊方法对Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金进行异材连接具有良好的前景。
采用钎焊的方法虽然可以获得无缺陷的焊缝接头，但是焊缝的组织和性能并未达到最佳状态。这是由两方面原因导致的：(1)钎焊工艺中的钎焊温度和保温时间等因素是针对钎焊过程设定的，其目的是实现待焊母材的连接；(2)钎焊完成后焊缝处的成分和组织已不同于两侧母材。因此，如何有效的提高钎焊接头的力学性能成为了Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材焊接工程化应用亟待解决的问题。热处理是实现焊缝组织调控的有效手段，然而现阶段的焊后热处理存在三个不足之处：(1)现阶段的焊后热处理其主要目的是降低熔焊接头的残余应力；(2)熔焊接头的元素成分与母材较为接近，其热处理制度并不适用于钎焊接头；(3)由于钎料的存在，钎焊接头的元素组成、力学性能和物理特性已不同于母材，其热处理不仅要考虑到母材的因素，还要考虑到焊缝自身的特性。例如：若只考虑母材的因素，则会导致热处理温度过高，从而使得钎焊接头组织中低熔点相发生熔化，不仅无法强化钎焊接头，还可能导致严重的事故。
因此，基于以上的问题，研发一种适用于Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，可以改善Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊接头组织，提高钎焊接头的力学性能，满足工程化应用的要求，并拓展其在航空、航天的应用空间。
发明内容
鉴于此，为了解决上述问题中的至少一项技术难题，本发明的目的在于提出了一种适用于Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，以优化Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊接头组织，提高钎焊接头的力学性能。
为了实现以上目的，本发明的技术方案是：
一种Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，包括依次进行的如下步骤：
(1)真空钎焊：将Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接；
(2)将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至低于热处理温度10℃～50℃，保温5～20min，热处理温度为钎料熔化温度以下40℃～250℃；
(3)随后升温至热处理温度，保温1～18h；
(4)随炉冷却至室温。
所述的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，步骤(1)-步骤(4)中，真空钎焊和真空热处理时的真空度为5×10-3～5×10-4Pa。
所述的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，优选的，步骤(2)中，钎焊接头随炉升温至热处理温度以下20℃～30℃，保温5～10min。
所述的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，优选的，步骤(3)中，钎焊接头升温至热处理温度650℃～750℃，保温1～5h。
所述的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，步骤(2)-步骤(3)中，热处理温度650℃～850℃。
本发明的设计思想是：根据“一体化”的思路，将母材焊接-组织调整-性能优化的多步工序相结合，首先采用真空钎焊对母材进行焊接，焊接完成后随炉进行焊后热处理，以调整接头组织结构，达到优化接头性能的目的。本发明在实现性能优化的同时，简化了操作步骤，提高工作效率，使之可应用于工业化的批量生产、处理，并且热处理后样品表面内部均无氧化物形成，无需进行其他机械加工即可满足使用要求，满足规模化工业生产的需要。
本发明具有如下的优点及有益效果：
1、本发明的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，可以优化钎焊接头的显微组织，并显著提高钎焊接头的抗拉强度。
2、本发明的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，操作简单，可应用于工业化的批量处理，适合规模化工业生产的需要。
3、本发明的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，在真空环境下进行，热处理后样品表面内部均无氧化物形成，无需进行其他机械加工即可满足使用要求。
4、本发明的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，可在真空钎焊后随炉直接进行，提高热处理工作效率，节省能源、时间。
附图说明
图1钎焊后焊接接头的显微组织形貌。
图2经720℃/3h热处理后钎焊接头的显微组织形貌。
图3经750℃/3h热处理后钎焊接头的显微组织形貌。
图4经700℃/5h热处理后钎焊接头的显微组织形貌。
图5经580℃/1h热处理后钎焊接头的显微组织形貌。
具体实施方式
在具体实施过程中，Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接，并在焊后采用特定的热处理工艺。其中，Ti2AlNb基合金的成分及原子百分比如下：Ti-22Al-24Nb-0.5Mo。γ-TiAl基合金的成分及原子百分比如下：Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.2B。
下面，将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
对比例1
本对比例中，未经焊后热处理的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接：
(1)按Ti2AlNb基合金/钎料/γ-TiAl基合金的顺序装配于钎焊夹具中，放入真空炉中进行钎焊，随炉升温至800℃～850℃，保温5～20min，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；
(2)随后升温至900℃～950℃，保温1～2h，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；
(3)随炉冷却至室温。
图1为钎焊后焊接接头的显微组织，两侧为钎焊母材Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金，中间为焊缝组织，钎焊后钎焊接头的抗拉强度为400MPa。采用真空钎焊的方法虽然可以获得无缺陷的焊缝接头，但是焊缝的组织和性能并未达到最佳状态。
实施例1
本实施例中，将Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接，Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺流程为：
将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至680℃，保温15min，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随后升温至热处理温度720℃，保温3h，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随炉冷却至室温。
图2为经720℃/3h热处理后钎焊接头的显微组织，此时钎焊接头的抗拉强度为475MPa。该热处理工艺实现了钎焊接头显微组织优化，并提高了其力学性能。
实施例2
本实施例中，将Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接，Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺流程为：
将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至700℃，保温15min，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随后升温至热处理温度750℃，保温3h，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随炉冷却至室温。
图3为经750℃/3h热处理后钎焊接头的显微组织，此时钎焊接头的抗拉强度为440MPa。该热处理工艺实现了钎焊接头显微组织优化，并提高了其力学性能。
实施例3
本实施例中，将Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接，Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺流程为：
将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至680℃，保温15min，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随后升温至热处理温度700℃，保温5h，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随炉冷却至室温。
图4为经700℃/5h热处理后钎焊接头的显微组织，此时钎焊接头的抗拉强度为450MPa。该热处理工艺实现了钎焊接头显微组织优化，并提高了其力学性能。
实施例4
本实施例中，将Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接，Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺流程为：
将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至650℃，保温15min，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随后升温至热处理温度680℃，保温1h，真空度为：5×10-3～5×10-4Pa；随炉冷却至室温。
图5为经680℃/1h热处理后钎焊接头的显微组织，此时钎焊接头的抗拉强度为427MPa。该热处理工艺实现了钎焊接头显微组织优化，并提高了其力学性能。
从上述对比例和实施例可以看出，本发明所述的方法实现了对钎焊接头的组织优化，并提高了钎焊接头的力学性能，同时对母材合金不会产生不利的影响。
以上实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的相关人员容易想到很多修改和改变，在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (3)
1.一种Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，其特征在于，包括依次进行的如下步骤：
（1）真空钎焊：将Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金采用真空钎焊的方式进行焊接；
（2）将钎焊后样品放入真空热处理炉中随炉升温至低于热处理温度10℃～50℃，保温5～20min，热处理温度为钎料熔化温度以下40℃～250℃；
（3）随后升温至热处理温度，钎焊接头升温至热处理温度650℃～750℃，保温1～5h；
（4）随炉冷却至室温；
Ti2AlNb基合金的成分及原子百分比如下：Ti-22Al-24Nb-0.5Mo，γ-TiAl基合金的成分及原子百分比如下：Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.2B。
2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，其特征在于，步骤（1）-步骤（4）中，真空钎焊和真空热处理时的真空度为5×10-3～5×10-4Pa。
3.根据权利要求1所述的Ti2AlNb基合金和γ-TiAl基合金异材钎焊焊后热处理工艺，其特征在于，步骤（2）中，钎焊接头随炉升温至热处理温度以下20℃～30℃，保温5～10 min。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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