CN113878259B - 适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺；根据钛铝基体成分设计钛铝粉末的成分：钛铝粉末中铝元素含量设计为钛铝基体中铝元素含量、偏差不大于1％；根据钛铝粉末成分设计锆钛粉末成分：锆钛粉末中钛元素含量设计为钛铝粉末钛元素含量、偏差不大于2％；最后将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合、待用；焊料由钛铝粉末和锆钛粉末两部分组成；焊料中锆钛粉末为70‑80％，其余为钛铝粉末；粉末颗粒度在100‑150目；在真空度不低于10‑3Pa条件下，设置连接温度使得锆钛粉末在真空环境下利用低温保温形成锆钛液态熔池，而后升温使钛铝粉末与熔池发生化学反应但钛铝粉末不熔化，完成组件连接的工艺过程。

Description

适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接 工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺。
背景技术
钛铝合金是一种轻质耐高温金属间化合物材料，铸造钛铝合金涡轮已经应用于国外高级轿车以及国内高端制造领域，其作为增压涡轮转子部件、代替传统高温合金涡轮，明显起到减重和提速作用。现我国某增压发动机中采用高Al元素含量、全层片组织的铸造钛铝合金涡轮。钛铝合金与钢轴的连接技术是该涡轮转动部件制造的重要技术。
这方面文献和专利公开了一些相关技术。如，针对钛铝合金涡轮增压器转子与钢轴的连接方法，专利CN201110038335.9采用感应钎焊或者真空钎焊技术，但所用对象为低Al元素含量钛铝合金，即Ti-(32-36wt％)Al-(0.1-2wt％)Si-(0.1-5wt％)Nb-(0.1-3wt％)Cr。相对高Al含量如Al＝46-48at.％，这种低Al元素钛铝合金的热裂倾向小、低Al元素钛铝合金可焊性较好。专利CN201110274101.4公开了一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，利用电阻热使钎料熔化，然后施加顶锻压力，最后对涡轮部件进行去应力退火，得到涡轮与钢轴的组合部件，该技术工序多、效率低且接头强度低、仅达到190MPa。专利CN201510284675.8提出一种添加合金中间层的TiAl合金与TC4合金的电子束熔钎焊方法，弊端是TiAl合金也会发生局部熔化、导致接头附近形成脆性区域。此外，CN201110263928.5采用形成金属间化合物颗粒增强焊缝的手段对TiAl合金进行钎焊，但过程控制难度高，仅限于实验室操作、工程化不易实现。
国内外采用的三体连接(钛铝+高温合金+结构钢)的制造技术，存在工序多、过程复杂、接头多且高温服役中涡轮部件的性能稳定性不足。同时，全层片组织、高Al含量的钛铝合金对任何热过程都十分敏感，全层片组织容易分解导致钛铝涡轮组织被破坏；Al含量高将带来钎焊(真空钎焊或感应钎焊)界面化合物数量多、接头脆性倾向大、热裂纹容易产生。可见，以上综述的各种连接技术尚未解决高Al元素含量、全层片组织的铸造钛铝合金涡轮的可靠性连接技术。
常规用于钛铝合金的焊料分为两类，一类是采用镍基高温合金用镍基焊料，如BNi2等，但其熔点高、为970-980℃，故焊接温度通常设置为1020-1070℃；一类是采用钛合金用焊料，即Ti-Cu-Ni体系或者Ti-Zr-Cu-Ni体系焊料。针对钛合金用焊料，传统方法是向这Ti-Cu-Ni或者Ti-Zr-Cu-Ni两种体系焊料中添加其他元素如Co元素、Fe元素或者几种元素组合，目的是提高钛铝合金焊接接头的强度或者调整焊料对钛铝合金基体的润湿性，设计思路如图1。这是在钛合金用焊料的基础上进行焊料合金的成分调整或微量添加某一种或几种其他元素的设计方法，然而所设计焊料尚且不适合焊接钛铝材料，一方面，钛铝合金区别于钛合金，钛铝合金具有长程有序的晶体结构，而钛合金是一种固溶体结构；针对钛铝材料，传统焊料设计方法下焊料无法兼顾熔点、润湿性和扩散性能的问题；另一方面，钛铝合金对热过程较钛合金敏感，采用镍基焊料或用于钛合金的焊接工艺设计会导致钛铝合金的层片组织发生分解、层片组织和等轴γ相的比例也发生改变，继而，焊后钛铝合金力学性能发生较大损失。
发明内容
本发明的目的是：提供一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺，以解决上述现有技术存在的问题。通过设计连接材料和工艺控制措施，利用低温液相熔池改善初始界面应力、平衡钛铝粉末与待连接材料之间的化学反应，并借助钛铝粉末与熔池反应形成多元固溶体组分界面以提高界面结合力。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法，步骤如下：
首先，根据钛铝基体成分设计钛铝粉末的成分：钛铝粉末中铝元素含量设计为所述钛铝基体中铝元素含量、偏差不大于1％；
其次，根据钛铝粉末成分设计锆钛粉末成分：锆钛粉末中钛元素含量设计为钛铝粉末钛元素含量、偏差不大于2％；
最后，将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合、待用。优选地，采用溶剂将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合。
另一方面，本发明提供一种适用于全层片组织钛铝基体的焊料，所述焊料由钛铝粉末和锆钛粉末两部分组成，钛铝粉末由钛元素和铝元素组成，锆钛粉末由钛元素和锆元素组成；焊料中锆钛粉末为70-80％，其余为钛铝粉末；粉末颗粒度在100-150目。
另一方面，本发明还提供一种适用于全层片组织钛铝基体的焊料的焊接工艺，所述工艺过程为：
在真空度不低于10-3Pa条件下，根据连接材料中锆钛粉末的熔点，设置连接温度T1，使得锆钛粉末在真空环境下利用低温保温形成锆钛液态熔池，而后升温至T2使钛铝粉末与熔池发生化学反应但钛铝粉末不熔化，完成组件连接的工艺过程。
连接温度T1设置为高于锆钛粉末熔化温度20-30℃，保温10-30min；连接温度T2设置为高于T1温度100-120℃，保温10-30min，且从T1到T2采用阶梯升温的方式。
具体工艺过程为：
以升温速率10-15℃/min升温至T1＝850-880℃，保温10-30min；
→以升温速率25-30℃/min升温至900-930℃，保温10-20min；
→以升温速率10-15℃/min升温至T2＝950-1000℃，保温20-30min；
→以降温速率10-15℃/min降温至930-950℃，保温20-30min；
→最后，随炉冷却。
当待连接部位是平面时，焊料铺置在平面上、使用厚度为30-40μm；待连接部位是柱面时，焊料铺置在两柱面配合后的外表面缝隙处，根据柱面面积确定焊料的用量使得柱面焊合率达到95％。焊接间隙为0.05-0.1mm。
本发明的设计思路如图2所示，本发明提出从被焊接钛铝合金具体成分出发，以主要元素钛元素和铝元素为参考，设计出含有层片组织的一种二元钛铝材料；同时，考虑到这种二元钛铝材料熔点高、不易熔化的问题，提出由该二元钛铝材料为参考、设计一种低熔点二元锆钛材料，目的是利用通过锆钛材料在低温下发生熔化、包裹且润湿高熔点的二元钛铝材料(下述为混合体)；最后阶梯升温、稳定被焊接钛铝的层片组织，且通过高温过程加速促进混合体对被焊接钛铝合金的扩散。这种利用两种熔点差异较大的简单二元材料的混合体的成分设计思路，是针对被焊接钛铝合金的具体成分进行连接材料组成的设计方法，与传统方法存在明显不同。
本发明的有益效果是：本发明原理为：I、设计与基体等铝元素当量的钛铝合金粉末，控制了铝元素由基体向界面扩散，进而保证了全层片组织的稳定性，避免Al元素扩散引起全层片组织中层片分解。II、设计低熔点锆钛合金且钛元素当量与钛铝粉中钛元素同当量，利用高温液态熔池促进钛铝以及钛铝与结构钢界面元素难扩散的问题，抑制界面硬质相形成；III、控制等温凝固过程，由Ti、Zr、Al为主元，其他V、Cr、Nb、Ni等元素参与形成了5-6元固溶体合金的相(Ti10-15％Zr15-18％Al18-22％)组成界面，提高了界面韧性。
本发明有效解决了钛铝合金中全层片组织在焊后的组织稳定性问题，解决了高Al元素、全层片组织钛铝合金的钎焊接头脆性问题，同时可用于对钛铝合金涡轮与结构钢材料之间的高强度连接。钛铝和结构钢室温接头拉伸强度为400-437MPa；500℃下钛铝和结构钢接头拉伸强度达到340-415MPa范围，性能结果验证了本发明提高了钛铝与结构钢异质焊接接头拉伸强度。本发明涉及操作方法简易、可实施性强、成本低、效率高；有利于控制钛铝涡轮与其他轴类组件之间的装配精度、提高零件钎焊质量和生产效率。
附图说明
图1为传统方法下钛铝合金用焊料的设计思路示意图；
图2为本发明提出的钛铝合金用焊料的设计思路图；
图3界面形成机理及工艺过程说明图；
图4界面组织图，其中，(a)为接头形貌，(b)为接头微观组织，(c)为全层片组织钛铝。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员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，都属于本发明保护的范围。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
本发明的适用于全层片组织钛铝基体的焊料的设计方法：
一、制备钛铝合金粉末与锆钛粉末，参考基体钛铝合金成分设计钛铝二元粉末成分，进而设计锆钛合金成分，其中钛元素含量与钛铝粉末中钛元素含量相当。粉末颗粒度在100-150目范围。
在步骤一中，基体钛铝合金的成分为Ti-47Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni-0.15Gd wt.％，设计钛铝合金粉末为Ti-(46-48)Al wt.％。采用常规方法制备该成分的钛铝粉末，要求粉末颗粒度在100-120目之间。锆钛粉末设计参考钛铝合金粉的成分。如钛铝合金粉末为Ti-(46-48)Al wt.％，设计锆钛粉末成分为Zr-(52-54)Ti wt.％，颗粒度在120-150目。
在步骤一中，基体钛铝合金的成分为Ti-(32-36wt％)Al-(0.1-2wt％)Si-(0.1-5wt％)Nb-(0.1-3wt％)Cr，设计钛铝合金粉末为Ti-34Al wt.％。采用常规方法制备该成分的钛铝粉末，要求粉末颗粒度在100-120目之间。锆钛粉末设计参考钛铝合金粉的成分。如钛铝合金粉末为Ti-34Al wt.％，设计锆钛粉末成分为Zr-66Ti wt.％，颗粒度在120-150目。
二、焊接工艺过程如下：
2.1、将钛铝合金粉末与锆钛粉末在一定溶剂中进行混合、制备为待用连接材料。溶剂可选择为丙酮、酒精。连接材料混合物比例为，锆钛粉末为70-80％，其余为钛铝粉末。将混合物放于玻璃容器中，密封放置。使用前摇晃玻璃容器使沉淀粉末与溶剂再次均匀混合。
2.2、组件准备：将待连接各组件的待连接部位进行表面处理，要求表面精度不低于0.8mm；而后超声清洗、再放置于烘干机进行烘干，烘干温度为150-200℃、时间为20-40min，最后取出组件、待用；将连接材料放于玻璃容器中、密封。
2.3，将以上混合均匀的连接材料以一定厚度添置于待焊接钛铝合金或钛铝合金与结构钢组件之间，采用先低温过渡液相扩散焊、而后粉末冶金并钎焊的工艺过程控制，将组件放置于真空环境下进行焊接。保证焊接间隙为0.05-0.1mm。
工艺过程为：(升温速率10-15℃/min)T1＝850-880℃、保温10-30min→(升温速率25-30℃/min)900-930℃、保温10-20min→(升温速率10-15℃/min)T2＝950-1000℃、保温20-30min→(降温速率10-15℃/min)930-950℃、保温20-30min→随炉冷却；
如图3为本发明的界面形成机理及工艺过程说明图，其中包含4个水平保温过程，其中前三个均为依次升温、保温，第四个水平保温是降温、保温。以上I、II、III、V四个过程分别对应着界面锆钛液相形成、钛铝与锆钛界面反应、多元固溶体相的界面形成、及界面化合物附件应力释放。从技术层面上，顺次为低温下形成锆钛过渡液相区、而后钛铝粉末与之发生化学反应、最后完成界面钎焊的工艺控制过程。一方面，低温熔池在高温下持续存在可以促进钛铝粉末与熔池合金反应，同时由于界面Al元素与基体Al元素含量相当，抑制了Al元素由基体相界面扩散，从而稳定了钛铝合金的层片组织。另一方面，熔池的存在兼顾促进界面反应的作用；如当钛铝与结构钢进行连接时，二者由于化学元素差异性较大，不利于界面反应而导致钎料或者其他中间层材料富集形成界面脆性相。反之，来自结构钢材料中的Fe、Ni等元素可以相对较容易地在高温下扩散到熔池中，这相比纯粹钎焊、或者扩散焊方法，可以显著提高界面化学反应速度。
如图4所示为钛铝与结构钢材料的界面组织图，工艺过程为(升温速率12℃/min)860℃、保温15min→(升温速率280℃/min)915℃、保温16min→(升温速率15℃/min)985℃、保温27min→(降温速率15℃/min)935℃、保温30min→随炉冷却。图4a-b依次为界面组织放大照片。a中可见界面冶金结合、无缺陷、无未焊合。b中可见界面自上而下(上面为钛铝材料一侧、下面为结构钢材料一侧)为四个区域。这四个区域自上而下，基体中Al元素含量依次为：WAl 钛铝合金＞WAl 1区＞WAl 2区＝WAl 3区＝WAl 4区＞WAl 结构钢。由此证明，通过设计混合连接材料及相应工艺措施，界面附近钛铝合金一侧的Al元素含量得以较好保持，图4(c)显示的是焊接后钛铝合金层片组织形貌，在焊接过程中未发生层片分解；结果验证了本发明方法保证了全层片组织钛铝合金组织稳定性。钛铝和结构钢室温接头拉伸强度在390-422MPa范围；500℃下钛铝和结构钢接头拉伸强度在350-400MPa范围，性能结果验证了本发明提高了钛铝与结构钢异质焊接接头拉伸强度。
下面结合不同应用场景的具体实施例描述本发明的焊料设计方法以及焊接工艺控制过程：
实施例1：
对钛铝合金进行焊接，钛铝合金基体成分为Ti-42Al-6.5V-2.5Cr-0.9Ni wt.％。
设计钛铝合金粉末为Ti-42Al wt.％，粉末颗粒度100目。设计锆钛粉末成分为Zr-58Ti wt.％，颗粒度在120目。
采用常规方法制备该成分的钛铝粉末和锆钛粉末，将钛铝合金粉末与锆钛粉末在丙酮溶剂中混合、制备为待用连接材料。锆钛粉末为72％，其余为钛铝粉末。将混合物放于玻璃容器中，密封放置。使用前摇晃玻璃容器使沉淀粉末与溶剂再次均匀混合。
将混合均匀的连接材料以添置于待焊接钛铝合金与钛铝合金组件之间，采用先低温过渡液相扩散焊、而后粉末冶金并钎焊的工艺过程控制，将组件放置于真空环境下进行焊接、焊接间隙为0.06mm。
工艺过程为(升温速率12℃/min)870℃、保温15min→(升温速率26℃/min)912℃、保温15min→(升温速率15℃/min)975℃、保温22min→(降温速率14℃/min)930-950℃、保温22min→随炉冷却。
焊接后钛铝合金层片组织形貌未发生层片分解；钛铝室温接头拉伸强度在540-550MPa范围；500℃下钛铝接头拉伸强度在400-420MPa范围。
实施例2：
目标对钛铝合金和42CrMo结构钢进行焊接。钛铝基体成分为Ti-47.5Al-1.5V-1.5Cr-0.3Ni wt.％。
设计钛铝合金粉末为Ti-47.5Al wt.％。粉末颗粒度110目。设计锆钛粉末成分为Zr-52.5Ti wt.％，颗粒度在130目。
采用常规方法制备该成分的钛铝粉末和锆钛粉末，将钛铝合金粉末与锆钛粉末在丙酮溶剂中混合、制备为待用连接材料。锆钛粉末为78％，其余为钛铝粉末。将混合物放于玻璃容器中，密封放置。
使用前摇晃玻璃容器使沉淀粉末与溶剂再次均匀混合。将混合均匀的连接材料以添置于待焊接钛铝合金与钛铝合金组件之间，采用先低温过渡液相扩散焊、而后粉末冶金并钎焊的工艺过程控制，将组件放置于真空环境下进行焊接、焊接间隙为0.03mm。
工艺过程为(升温速率16℃/min)860℃、保温15min→(升温速率24℃/min)915℃、保温14min→(升温速率16℃/min)985℃、保温20min→(降温速率13℃/min)950℃、保温25min→随炉冷却。
焊接后钛铝合金层片组织发生层片分解；验证了本发明方法保证了全层片组织钛铝合金组织稳定性。钛铝和结构钢室温接头拉伸强度为400MPa；500℃下钛铝和结构钢接头拉伸强度达到415MPa范围，性能结果验证了本发明提高了钛铝与结构钢异质焊接接头拉伸强度。
实施例3：
目标对钛铝合金涡轮和304结构钢轴进行连接。钛铝合金成分为Ti-44.5Al-8V-3.0Cr-0.1Ni wt.％。
设计钛铝合金粉末为Ti-44.5Al wt.％。粉末颗粒度120目。设计锆钛粉末成分为Zr-55.5Ti wt.％，颗粒度在120目。
采用常规方法制备该成分的钛铝粉末和锆钛粉末，将钛铝合金粉末与锆钛粉末在丙酮溶剂中混合、制备为待用连接材料。锆钛粉末为85％，其余为钛铝粉末。将混合物放于玻璃容器中，密封放置。使用前摇晃玻璃容器使沉淀粉末与溶剂再次均匀混合。
将混合均匀的连接材料以添置于待焊接钛铝合金与钛铝合金组件之间，采用先低温过渡液相扩散焊、而后粉末冶金并钎焊的工艺过程控制，将组件放置于真空环境下进行焊接、焊接间隙为0.04mm。
工艺过程为(升温速率15℃/min)880℃、保温20min→(升温速率22℃/min)925℃、保温10min→(升温速率15℃/min)995℃、保温20min→(降温速率15℃/min)938℃、保温25min→随炉冷却。
焊接后钛铝合金层片组织未发生层片分解、结果验证了本发明方法保证了全层片组织钛铝合金组织稳定性。钛铝和304结构钢室温接头拉伸强度达到422MPa；500℃下钛铝和结构钢接头拉伸强度为375MPa范围，性能结果验证了本发明提高了钛铝与结构钢异质焊接接头拉伸强度。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料，其特征在于：所述焊料由钛铝粉末和锆钛粉末两部分混合组成，焊料中锆钛粉末为70-80%，其余为钛铝粉末；
钛铝粉末中铝元素含量为钛铝合金基体中铝元素含量，偏差不大于1%；
锆钛粉末中钛元素含量为钛铝粉末钛元素含量，偏差不大于2%；
所述焊料的焊接工艺为：
在真空度不低于10-3Pa条件下，根据连接材料中锆钛粉末的熔点，设置连接温度T1，使得锆钛粉末在真空环境下利用低温保温形成锆钛液态熔池，而后升温至T2使钛铝粉末与熔池发生化学反应但钛铝粉末不熔化，完成组件连接的工艺过程；
所述温度T1设置为高于锆钛粉末熔化温度20-30℃，保温10-30min；连接温度T2设置为高于T1温度100-120℃，保温10-30min，且从T1到T2采用阶梯升温的方式；具体过程为：
以升温速率10-15℃/min升温至T1=850-880 ℃，保温10-30min；
→以升温速率25-30℃/min升温至900-930 ℃，保温10-20min；
→以升温速率10-15℃/min升温至T2=950-1000 ℃，保温20-30min；
→以降温速率10-15℃/min降温至930-950℃，保温20-30min；
→最后，随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于：采用溶剂将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合。
3.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于：钛铝粉末、锆钛粉末粉末颗粒度在100-150目。
4.根据权利要求1所述一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的焊接工艺，其特征在于：所述工艺过程为：
在真空度不低于10-3Pa条件下，根据连接材料中锆钛粉末的熔点，设置连接温度T1，使得锆钛粉末在真空环境下利用低温保温形成锆钛液态熔池，而后升温至T2使钛铝粉末与熔池发生化学反应但钛铝粉末不熔化，完成组件连接的工艺过程；
所述温度T1设置为高于锆钛粉末熔化温度20-30℃，保温10-30min；连接温度T2设置为高于T1温度100-120℃，保温10-30min，且从T1到T2采用阶梯升温的方式。
5.根据权利要求4所述的焊接工艺，其特征在于：具体工艺过程为：
以升温速率10-15℃/min升温至T1=850-880 ℃，保温10-30min；
→以升温速率25-30℃/min升温至900-930 ℃，保温10-20min；
→以升温速率10-15℃/min升温至T2=950-1000 ℃，保温20-30min；
→以降温速率10-15℃/min降温至930-950℃，保温20-30min；
→最后，随炉冷却。
6.根据权利要求4所述的焊接工艺，其特征在于：待连接部位是平面时，焊料铺置在平面上、使用厚度为30-40μm；待连接部位是柱面时，焊料铺置在两柱面配合后的外表面缝隙处，根据柱面面积确定焊料的用量使得柱面焊合率达到95%。
7.根据权利要求6所述的焊接工艺，其特征在于：焊接间隙为0.05-0.1mm。
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