CN114131295A - 一种采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法 - Google Patents

一种采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种采用Ti‑Nb合金作中间层的扩散焊方法，该方法在被焊母材的待焊面上制备Ti‑Nb合金中间层，放入扩散焊设备中，施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。本发明提出了合适的Ti‑Nb合金中间层成分和厚度，调控了焊接参数，可实现对扩散连接过程的良好控制，得到与两种被焊母材接近的焊缝组织。获得TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的异种接头室温和650℃高温抗拉强度达到了TiAl合金的80％～90％。

Description

一种采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法
技术领域
本发明是一种采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，属于焊接技术领域。
背景技术
钛铝金属间化合物具有密度低，比强度、比刚度高，良好的抗氧化性，抗蠕变、抗疲劳性能好等优点，是最具潜力的航空航天用轻质高温结构材料之一。在钛铝金属间化合物中，TiAl合金、Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的研究受到重视，TiAl合金的工作温度可以达到760℃～850℃，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的工作温度可以达到700℃。与普通钛合金相比，TiAl合金、Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金可以在更高的温度下服役；与高温合金相比，它们有较低的密度，大约是高温合金的一半，应用在航空航天领域，可以得到大幅的减重效果，应用在汽车工业领域，可以实现零部件的轻量化设计与制造。但从成本和工艺可靠性上来讲，某些零部件整体采用TiAl合金来制备的难度很大，目前的TiAl合金室温塑性较低，变形能力较差，而相对来说，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的可加工性较好。如果能够实现TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的良好连接，TiAl合金用在工作温度较高的部位，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金用在服役温度较低，但对强度、综合力学性能要求较高的部位，就可以发挥两种材料各自的性能优势。比如航空发动机中的整体叶盘，就可以采用TiAl合金制作叶片，采用Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金制作盘件，但这首先要解决两种材料的异种连接问题，在连接方法中，扩散焊优先考虑的方法之一，因为可以获得较高的接头强度。
目前已有关于TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金异种扩散焊连接及其自身扩散焊的研究报道。有研究人员进行了TiAl合金与Ti2AlNb合金的无中间层扩散焊研究，连接区域形成了Al(Nb,Ti)2和α2-Ti3Al等化合物，接头室温剪切强度为260MPa，有待提高(J.Y.Zou,et al.Diffusion bonding of dissimilar intermetallic alloys based onTi2AlNb and TiAl[J].Journal of Materials Science and Technology,2009,25:819–824.)。专利(CN 101176946A)公布了一种真空扩散连接TiAl金属间化合物的方法，是采用置氢钛或钛合金箔片作为中间层，来实现TiAl金属间化合物的扩散连接，中间层箔片厚度30μm～100μm，置氢钛的氢含量为0.2～0.5wt.％，在权利要求书中未给出焊接参数。其所述钛合金应为常规钛合金，在实施例部分，其给出了以置氢TC4钛合金箔片、置氢Ti600钛合金箔片作为中间层，进行TiAl金属间化合物自身及其与其它材料扩散连接的试验方案。专利(CN106808079A)发明了一种扩散连接TiAl合金与Ti2AlNb合金的方法，该方法没有使用中间层，而是直接进行两种材料的扩散焊，通过控制焊接温度(930℃～1000℃)、保温时间(1h～2h)、试样总变形量(2％～5％)来实现扩散连接，但没有说明通过该方法获得的接头强度数值。专利(CN105798449A)介绍了一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，所述复合金属箔由Ti箔/Nb箔/Ti箔复合而成，用于高铌TiAl合金自身扩散连接，单层Ti箔或Nb箔厚度为10μm～30μm，焊接温度为1100℃～1300℃，保温时间为1h～3h，焊接时施加压力15MPa～30MPa，由于Nb原子扩散速率较低，该方法所采用的焊接温度较高，保温时间较长，可能会对母材的组织和性能造成影响。但目前国内外关于TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金异种连接的研究报道还非常有限，接头强度需要进一步提高。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，该方法针对TiAl合金与Ti2AlNb合金或TiAl合金与Ti3Al基合金的扩散焊连接，其目的是控制连接接头中脆性反应层的形成，减少合金中间层的残留，降低接头脆性倾向，得到与两种被焊母材接近的焊缝组织，实现两种母材的高质量连接。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法是针对TiAl合金与Ti2AlNb合金或TiAl合金与Ti3Al基合金的扩散焊连接，该方法的步骤如下：
步骤一、将TiAl合金、Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材，将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材和Ti-Nb合金箔放入丙酮中超声清洗3～10min；
步骤二、在被焊母材的待焊面上制备Ti-Nb合金中间层，该中间层的制备采用以下方法之一：
第一种方法：将Ti-Nb合金熔炼后采用轧制工艺制备Ti-Nb合金箔，再将该Ti-Nb合金箔置于被焊母材的待焊面上；
第二种方法：在被焊母材的待焊面上直接制备Ti-Nb合金中间层；
步骤三、把组装在一起的被焊母材放于扩散焊设备中，并施加5～25MPa的压力，当设备真空度达到9×10-2～5×10-2Pa后开始通电加热，升温速率为5～15℃/min，升温至900℃～960℃时开始保温，保温时长0.5～1.0h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，随后关闭加热程序，炉冷至200℃以下出炉，完成扩散焊连接。
在实施时，所述Ti-Nb合金箔的成分为Ti-(3-15)Nb(wt.％)。进一步，所述Ti-Nb合金箔的成分为Ti-8Nb(wt.％)。
在实施时，步骤二的第一种方法中，Ti-Nb合金的熔炼方法是真空电弧熔炼法、真空感应熔炼法、真空电子束熔炼法或真空等离子束熔炼法。
在实施时，步骤二的第二种方法中，Ti-Nb合金中间层采用真空蒸镀方法或磁控溅射方法直接制备在被焊母材的待焊面上。
在实施时，步骤二的第一种方法中，所述Ti-Nb合金箔的厚度为10～30μm。
在实施时，步骤三中施加的压力为10～20MPa。
在实施时，步骤三中所述的加热温度为930℃，保温时间为1h。
本发明技术方案具有如下优点：
(1)元素冶金相容性方面：元素Ti是两种被焊母材TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的主要组成元素，本发明所述Ti-Nb合金是一种Ti基合金，其与两种被焊母材有很好的相容性，以其为中间层进行TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的的扩散焊连接，有助于获得冶金相容性良好的扩散焊接头。
在两种被焊母材TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金中都含有一定量的Nb，比如TiAl合金：Ti-48Al-2Cr-2Nb、Ti-45Al-2Mn-2Nb+0.8vol％TiB2(at.％)，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金：Ti-24Al-15Nb-1Mo、Ti-21Al-14Nb、Ti-22Al-24Nb-0.5Mo(at.％)。此外，为了改善TiAl合金的塑性，并进一步提高其强度，研制高铌含量的TiAl合金是一个重要的发展趋势，已报道的高铌TiAl合金有Ti-47Al-6Nb、Ti-45A1-8Nb-0.2B-0.2W-0.02Y、Ti-45A1-8Nb-2.5Mn、Ti-45Al-10Nb等。因此，采用Ti-Nb合金为中间层，不会在连接过程中引入其它杂质元素，避免形成新的化合物相。扩散焊过程中，Ti-Nb合金中间层两侧母材中的Al元素必将扩散到中间层，明显增加中间层中的Al含量，同时中间层中Ti含量比两侧母材高，其也会向母材中扩散，这样会在焊缝处形成Ti、Al、Nb元素构成的焊缝组织，即获得与两种被焊母材接近的焊缝组织，有助于增加焊缝与两种不同母材的冶金相容性，保证接头具有比较高的强度。正是基于上述考虑，本发明提出了采用Ti-Nb合金作中间层进行TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的扩散焊连接方法。
(2)中间层成分方面：本发明所述的Ti-Nb合金中间层，在成分设计方面严格控制并优化了其中Nb的含量。如果中间层中难熔金属Nb含量较多，则一方面中间层合金熔点会明显升高，将增加熔炼难度。另一方面，合金塑性将会降低，难以制备得到厚度较小的箔材，箔材厚度太大会导致焊接过程中原子扩散不充分，也会限制焊接参数的选择，因为焊接过程会影响Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的组织和性能。如果采用纯钛箔或Ti-Nb中间层中Nb含量非常少，则难以获得与两种被焊母材接近的焊缝组织，因为Nb原子扩散速率很小，母材(主要是Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金)中的Nb很难扩散到焊缝中，为了避免焊接过程对被焊母材组织和性能的影响，也无法采用太长的焊接保温时间。
通过设计Ti-Nb合金中间层，在进行TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的扩散焊连接时，只需要一层中间层即可。和采用纯Nb箔作为中间层相比，可以更好的控制中间层中Nb的含量，和含纯Nb箔的复合中间层相比，可以实现中间层中Nb元素的充分扩散，因为Nb是均匀分布于Ti-Nb合金中间层中的。
(3)中间层厚度方面：扩散焊连接时，材料表面虽然在机械加工后进行了磨光、清洗等处理，但是在微观上仍然是粗糙的，存在许多微米级或亚微米级尺度的微观凹凸。中间层合金的存在有利于填充这些微观凹凸之间的间隙，促进界面孔洞的消除，因此，中间层合金箔要有一定厚度。但中间层厚度太大，会导致其在焊缝中残留，无法得到与两种被焊母材接近的焊缝组织，过长的保温时间又会损坏被焊母材组织和性能。本发明所述的Ti-Nb合金箔厚度10～30μm是在大量总结分析实验结果基础上提出的。
(4)工艺参数方面：TiAl合金对焊接热过程不敏感，一般情况下焊接过程对TiAl合金组织和性能影响不大。但是，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的固溶处理温度一般在980℃～1020℃，当焊接温度达到或高于该固溶处理温度，并且保温时间达到或超过1h时，会严重损害母材的组织和性能。但焊接温度过低或保温时间过短时，中间层与被焊母材之间无法充分实现原子扩散，无法获得与两种被焊母材接近的焊缝组织。实际上工艺参数的选择是与中间层箔厚度有关的。基于厚度10～30μm的Ti-Nb合金箔，本发明提出的焊接温度不超过960℃，保温时间不超过1h，既降低焊接过程对母材组织和性能的影响，又保证实现中间层与被焊母材之间充分的原子扩散。最终实现中间层成分与厚度、焊接工艺参数、母材组织与性能影响、焊缝组织与强度等之间的良好匹配。
(5)接头强度方面：采用本发明提出的方法，以Ti-Nb合金箔作中间层，合理优化中间层成分和厚度，调控焊接参数，实现对扩散连接过程的良好控制，得到与两种被焊母材接近的焊缝组织。本发明获得TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的异种接头室温和650℃高温抗拉强度达到了TiAl合金的80％～90％。
附图说明
图1为以Ti-Nb合金箔为中间层获得的Ti2AlNb/TiAl扩散焊接头的显微组织照片。
具体实施方式
实施例一
本实施例中，采用本发明方法对TiAl合金与Ti2AlNb进行扩散焊连接的步骤为：
步骤一、设计Ti-5Nb(wt.％)合金，并采用真空电弧熔炼法制备合金锭，然后采用轧制工艺制备Ti-Nb合金箔；
步骤二、将TiAl合金与Ti2AlNb合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材；
步骤三、将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材、厚度20μm的Ti-Nb合金箔放入丙酮中超声清洗10min；
步骤四、将Ti-Nb合金箔置于待焊接合金表面，把被焊工件放于扩散焊设备中，并施加15MPa的压力，当设备真空度达到9×10-2后开始通电加热，升温速率为10℃/min，升温至920℃焊接温度时开始保温，保温时长1.0h，再以8℃/min的速度冷却到500℃，随后关闭加热程序，炉冷至200℃以下出炉，完成TiAl合金与Ti2AlNb合金的扩散焊连接。
实施例二
本实施例与实施例一不同的是：所述的是TiAl合金与Ti3Al基合金之间的扩散焊连接，步骤一中所述的Ti-Nb合金成分是Ti-8Nb(wt.％)。其它与实施例一相同。
实施例三
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所采取的熔炼方法为真空感应熔炼法，步骤三中所述的Ti-Nb合金箔厚度为15μm，焊接温度为900℃。其它与实施例一相同。
实施例四
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述的Ti-Nb合金成分是Ti-12Nb(wt.％)，所采取的熔炼方法为真空等离子束熔炼法。其它与实施例一相同。
实施例五
本实施例与实施例一不同的是：采用磁控溅射方法将步骤一中熔炼好的Ti-Nb合金沉积在清洗后的待焊试样表面，得到扩散连接用的中间层，中间层厚度10μm。其它与实施例一中的步骤四相同。
实施例六
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所采取的熔炼方法为真空电子熔炼法，步骤四中施加的压力为30MPa。其它与实施例一相同。
实施例七
本实施例与实施例一不同的是：步骤四中焊接温度为960℃，保温时间为0.5h。其它与实施例一相同。
通过上述实施例获得的扩散焊接头组织参见附图1所示，接头中没有发现裂纹、孔洞等缺陷，而且没有连续脆性反应层生成，获得了两种母材的高质量连接。

Claims (8)

1.一种采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：该方法针对TiAl合金与Ti2AlNb合金或TiAl合金与Ti3Al基合金的扩散焊连接，该方法的步骤如下：
步骤一、将TiAl合金、Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材，将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材和Ti-Nb合金箔放入丙酮中超声清洗3～10min；
步骤二、在被焊母材的待焊面上制备Ti-Nb合金中间层，该中间层的制备采用以下方法之一：
第一种方法：将Ti-Nb合金熔炼后采用轧制工艺制备Ti-Nb合金箔，再将该Ti-Nb合金箔置于被焊母材的待焊面上；
第二种方法：在被焊母材的待焊面上直接制备Ti-Nb合金中间层；
步骤三、把组装在一起的被焊母材放于扩散焊设备中，并施加5～25MPa的压力，当设备真空度达到9×10-2～5×10-2Pa后开始通电加热，升温速率为5～15℃/min，升温至900℃～960℃时开始保温，保温时长0.5～1.0h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，随后关闭加热程序，炉冷至200℃以下出炉，完成扩散焊连接。
2.根据权利要求1所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：所述Ti-Nb合金箔的成分为Ti-(3-15)Nb(wt.％)。
3.根据权利要求2所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：所述Ti-Nb合金箔的成分为Ti-8Nb(wt.％)。
4.根据权利要求1所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：步骤二的第一种方法中，Ti-Nb合金的熔炼方法是真空电弧熔炼法、真空感应熔炼法、真空电子束熔炼法或真空等离子束熔炼法。
5.根据权利要求1所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：步骤二的第二种方法中，Ti-Nb合金中间层采用真空蒸镀方法或磁控溅射方法直接制备在被焊母材的待焊面上。
6.根据权利要求1所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：步骤二的第一种方法中，所述Ti-Nb合金箔的厚度为10～30μm。
7.根据权利要求1所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：步骤三中施加的压力为10～20MPa。
8.根据权利要求1所述的采用Ti-Nb合金作中间层的扩散焊方法，其特征在于：步骤三中所述的加热温度为930℃，保温时间为1h。
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