CN114346397B - 一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，属于钛合金低温扩散连接技术领域，本发明为了解决现有技术在对钛合金进行扩散连接时由于其长时间的加热、保温与降温，扩散连接后的板材往往较原始板材在力学性能方面有一定损失的问题，以及较高的扩散连接温度也带来了高能耗及生产周期长的问题，本发明提供了一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，采用表面机械研磨处理来实现钛合金表面晶化非晶，获得非晶‑纳米晶‑细晶‑粗晶梯度结构的钛合金板材，在高温下钛合金非晶层晶化形成纳米晶层增加了钛合金扩散连接过程中的原子扩散通道，来实现在较低温度下进行扩散连接获得满足使用需求的扩散连接接头强度。

Description

一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法
技术领域
本发明属于钛合金低温扩散连接技术领域，具体涉及一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法。
背景技术
钛合金多层结构件作为一种轻质多功能结构，不仅可以满足结构件轻量化的要求，还可以为结构件功能化提供足够的空间，现已广泛应用于制造高超音速飞行器蒙皮和发动机重要组件，被认为是最具有前景的先进轻质超强韧材料，是航空航天用结构材料的重要发展方向。
钛合金扩散连接的传统工艺温度为920℃，在此温度下进行扩散连接，由于其长时间的加热、保温与降温，扩散连接后的板材往往较原始板材在力学性能方面有一定损失，特别是对超塑成形/扩散连接复合工艺制得的多层结构件而言，其单层的力学性能较原始板材损失较大。由于其扩散连接温度的要求，往往需要在较高真空度下进行，这为制造大尺寸的多层结构件带来了极高的设备要求，同时较高的扩散连接温度也带来了高能耗及生产周期长等一系列问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术在对钛合金进行扩散连接时由于其长时间的加热、保温与降温，扩散连接后的板材往往较原始板材在力学性能方面有一定损失的问题，以及较高的扩散连接温度也带来了高能耗及生产周期长的问题，进而提供一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法；
一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：钛合金表面机械处理：用砂纸打磨待焊表面至抛光，提高表面质量，便于进行后续的表面机械研磨处理；
步骤二：钛合金表面化学处理；将步骤一中经过打磨后的坯料依次进行碱洗、酸洗，以去除表面的油污、杂质及氧化膜；
步骤三：钛合金表面机械研磨处理：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的坯料设置在表面机械研磨组件中，利用表面机械研磨组件在氩气环境中对坯料的焊接面进行表面研磨；
步骤四：钛合金扩散连接：将步骤三中经过表面机械研磨后的坯料放入扩散连接模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散连接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接；
进一步地，所述步骤一中依次用240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污；
进一步地，所述步骤二中依次使用配比为NaOH：Na2CO3：H2O＝4:3:13的碱洗溶液与配比为5％HF+10％HNO3+H2O的酸洗溶液进行碱洗与酸洗以去除待焊表面的氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，随后放入无水乙醇中进行保存；
进一步地，所述步骤三中所用表面机械研磨组件包括电磁振动平台和不锈钢密封罐，不锈钢密封罐包括罐体和顶盖，所述不锈钢密封罐的罐体设置在电磁振动平台上，且不锈钢密封罐的罐体通过螺栓与电磁振动平台固定连接，顶盖设置在罐体的上方，且顶盖与罐体密封连接；
进一步地，所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所需工艺条件为弹丸材料：YG6，弹丸直径：8mm-14mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：15-30Hz，处理时间：4h；
进一步地，所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所需工艺条件为弹丸材料：YG6，弹丸直径：10mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：20Hz，处理时间：4h；
进一步地，所述步骤三具体是通过以下步骤实现的：
步骤三一：将经过碱洗和酸洗钛合金板材从无水乙醇中取出，冷风吹干后利用粘结剂将其固定于不锈钢密封罐中顶盖的下表面上，并保证钛合金板材的待焊面朝下设置；
步骤三二：在不锈钢密封罐的罐体中添加冷却剂，并填装有多个弹丸后，将粘接有钛合金板材的顶盖安装在罐体上；
步骤三三：对安装有顶盖的不锈钢密封罐罐体的内部充入氩气，获得所需的气体氛围后密封不锈钢罐；
步骤三四：将密封后的不锈钢密封罐通过螺栓连接固定在电磁振动平台上，启动电磁振动平台，在电磁的作用下罐体内部的多个弹丸会对粘接在顶盖下表面的钛合金板材待焊面进行冲击，达到钛合金板材待焊面表面机械研磨的目的，电磁振动平台每工作1h暂停10min以保证表面机械研磨过程中的无明显发热；
步骤三五：待表面机械研磨处理结束后，将钛合金板材取出，放入依次放入丙酮溶液和无水乙醇中进行超声清洗，清洗后冷风吹干待用；
进一步地，所述步骤三五中将经过表面机械研磨处理结束后的钛合金板材放入丙酮溶液中的清洗时间为10min，放入无水乙醇中的清洗时间为10min；
进一步地，所述步骤四中扩散连接的工艺参数为：焊接温度600℃-900℃，焊接压力为2MPa-4MPa，保温保压时间为1h；
进一步地，所述步骤四中扩散连接的工艺参数为：焊接温度800℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，采用表面机械研磨处理来实现钛合金表面晶化非晶，获得非晶-纳米晶-超细晶-细晶-粗晶梯度结构的钛合金板材，在高温下钛合金非晶层晶化形成纳米晶层增加了钛合金扩散连接过程中的原子扩散通道，加速原子的扩散，同时由此方法获得的非晶和纳米晶具有较好的热稳定性，其梯度结构会增强焊接接头的剪切强度，因此经此方法可以在较低温度较短时间下进行扩散连接获得满足使用需求的扩散连接接头强度。
本发明采用低能表面机械研磨处理，在获得有益于扩散连接工艺的非晶-纳米晶-超细晶-细晶-粗晶梯度结构时不会带来钛合金板材表面平整度的损害，且表面机械研磨过程处于氩气环境下，因此钛合金表面在表面机械研磨处理后可直接用来进行扩散连接。
附图说明
图1为本发明中钛合金板结构示意图；
图2为本发明中表面机械研磨组件的结构示意图；
图3为本发明中未处理TC4钛合金在800℃-3MPa-1h的扩散连接焊缝；
图4为本发明中经表面机械研磨处理的TC4钛合金在800℃-3MPa-1h的扩散连接焊缝；
图中：1罐体、2顶盖、3弹丸、4电磁振动平台和5钛合金板。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式提供一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：钛合金表面机械处理：用砂纸打磨待焊表面至抛光，提高表面质量，便于进行后续的表面机械研磨处理；
步骤二：钛合金表面化学处理；将步骤一中经过打磨后的坯料依次进行碱洗、酸洗，以去除表面的油污、杂质及氧化膜；
步骤三：钛合金表面机械研磨处理：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的坯料设置在表面机械研磨组件中，利用表面机械研磨组件在氩气环境中对坯料的焊接面进行表面研磨；
步骤四：钛合金扩散连接：将步骤三中经过表面机械研磨后的坯料放入扩散连接模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散连接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接。
本实施方式中，不同于传统的表面机械研磨处理前的机械抛光处理，选择在表面机械研磨处理前进行表面化学处理，目的是在表面机械研磨处理反应室中尽量避免因原始板料氧化膜带来得钛合金氧化，为后续加工表面机械研磨提供基础，提高了表面机械研磨的效果，采用表面机械研磨处理来实现钛合金表面晶化非晶，获得非晶-纳米晶-细晶-粗晶梯度结构的钛合金板材，在高温下钛合金非晶层晶化形成纳米晶层增加了钛合金扩散连接过程中的原子扩散通道，本方法在表面细化至纳米晶的基础上进一步处理获得表层非晶组织，非晶组织在高温下会发生晶化转变从而形成纳米晶组织，纳米晶组织对扩散连接有促进作用。通过表面机械研磨处理使得钛合金表面在扩散连接过程中处于纳米晶状态的时间得到延长，从而获得较好的焊接接头。
具体实施方式二：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中依次用240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的步骤二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中依次使用配比为NaOH：Na2CO3：H2O＝4:3:13的碱洗溶液与配比为5％HF+10％HNO3+H2O的酸洗溶液进行碱洗与酸洗以去除待焊表面的氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，随后放入无水乙醇中进行保存。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中所用表面机械研磨组件包括电磁振动平台和不锈钢密封罐，不锈钢密封罐包括罐体和顶盖，所述不锈钢密封罐的罐体设置在电磁振动平台上，且不锈钢密封罐的罐体通过螺栓与电磁振动平台固定连接，顶盖设置在罐体的上方，且顶盖与罐体密封连接。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
本实施方式中提供了一种表面机械研磨组件，主要采用电磁冲击的方式对钛合金待焊表面，采用电磁振动平台的优点是表面机械研磨处理不受限于设备尺寸，对不同尺寸的零件只需设计相应的满足零件尺寸的反应室即可。
具体实施方式五：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所需工艺条件为弹丸材料：YG6，弹丸直径：8mm-14mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：15-30Hz，处理时间：4h。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所需工艺条件为弹丸材料：YG6，弹丸直径：10mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：20Hz，处理时间：4h。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三具体是通过以下步骤实现的：
步骤三一：将经过碱洗和酸洗钛合金板材从无水乙醇中取出，冷风吹干后利用粘结剂将其固定于不锈钢密封罐中顶盖的下表面上，并保证钛合金板材的待焊面朝下设置；
步骤三二：在不锈钢密封罐的罐体中添加冷却剂，并填装有多个弹丸后，将粘接有钛合金板材的顶盖安装在罐体上；
步骤三三：对安装有顶盖的不锈钢密封罐罐体的内部充入氩气，获得所需的气体氛围后密封不锈钢罐；
步骤三四：将密封后的不锈钢密封罐通过螺栓连接固定在电磁振动平台上，启动电磁振动平台，在电磁的作用下罐体内部的多个弹丸会对粘接在顶盖下表面的钛合金板材待焊面进行冲击，达到钛合金板材待焊面表面机械研磨的目的，电磁振动平台每工作1h暂停10min以保证表面机械研磨过程中的无明显发热；
步骤三五：待表面机械研磨处理结束后，将钛合金板材取出，放入依次放入丙酮溶液和无水乙醇中进行超声清洗，清洗后冷风吹干待用。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
本实施方式中，采用的表面机械研磨处理，是在电磁振动平台上自主设计反应的密封装置，使得钛合金表面机械研磨处理过程处于氩气环境下，并使用无水乙醇作为冷却剂来保证表面机械研磨处理处理过程中反应始终处于室温状态，经表面机械研磨处理后，钛合金表面接近镜面，待焊钛合金表层形成非晶-纳米晶-细晶-粗晶梯度结构，非晶层在扩散连接温度800℃下会发生晶化形成纳米晶，一定程度上增强了钛合金纳米晶的热稳定性，纳米晶能够活化待焊表面为原子扩散提供更多的短程扩散通道，增加原子扩散速率，叠放钛合金板材，待焊表面相对放置形成待焊组件。
具体实施方式八：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三五中将经过表面机械研磨处理结束后的钛合金板材放入丙酮溶液中的清洗时间为10min，放入无水乙醇中的清洗时间为10min。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中扩散连接的工艺参数为：焊接温度600℃-900℃，焊接压力为2MPa-4MPa，保温保压时间为1h。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中扩散连接的工艺参数为：焊接温度800℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。其它组成及连接方式与具体实施方式九相同。
本发明已以较佳实施案例揭示如下，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
实施例
现以TC4钛合金板材的扩散连接过程为案例进行说明本申请提出的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，具体实施方法如下：
步骤一：TC4钛合金板材待焊表面机械处理：对TC4钛合金板材待焊表面依次在240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污；
步骤二：TC4钛合金待焊表面化学处理：将上述处理后的TC4钛合金板材待焊面依次使用NaOH+Na2CO3+H2O溶液与HF+HNO3+H2O溶液进行碱洗与酸洗以去除表面氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，放入无水乙醇中进行保存；
步骤三：TC4钛合金待焊表面表面机械研磨处理：工艺条件为：弹丸材料：YG6，弹丸直径：10mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：20Hz，处理时间：4h；
步骤三一：将经过碱洗和酸洗后的TC4钛合金板材从无水乙醇中取出，冷风吹干后利用粘结剂将其固定于不锈钢密封罐中顶盖的下表面上，并保证钛合金板材的待焊面朝下设置；
步骤三二：在不锈钢密封罐的罐体中添加冷却剂，并填装有多个弹丸后，将粘接有TC4钛合金板材的顶盖安装在罐体上；
步骤三三：对安装有顶盖的不锈钢密封罐罐体的内部充入氩气，获得所需的气体氛围后密封不锈钢罐；
步骤三四：将密封后的不锈钢密封罐通过螺栓连接固定在电磁振动平台上，启动电磁振动平台，在电磁的作用下罐体内部的多个弹丸会对粘接在顶盖下表面的TC4钛合金板材待焊面进行冲击，达到TC4钛合金板材待焊面表面机械研磨的目的，电磁振动平台每工作1h暂停10min以保证表面机械研磨过程中的无明显发热；
步骤三五：待表面机械研磨处理结束后，将TC4钛合金板材取出，放入依次放入丙酮溶液和无水乙醇中进行超声清洗，两次清洗均为10min，清洗后冷风吹干待用。
步骤四：表面机械研磨制备非晶-纳米晶-细晶-粗晶梯度结构TC4钛合金真空扩散连接：对经表面机械研磨处理制备的非晶-纳米晶-细晶-粗晶梯度结构TC4钛合金进行真空扩散连接，焊接工艺参数为：焊接温度800℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。经上述步骤实现TC4钛合金在800℃下的扩散连接，焊接接头焊合率达到95％以上，减薄率不足3％，焊接接头剪切强度为700MPa；
在经过表面机械研磨后的TC4钛合金坯料放入扩散连接模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散连接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接。
本实施案例中经过表面机械研磨处理的TC4钛合金在800℃-3MPa-1h的扩散连接焊缝的质量要优于未经过表面机械研磨处理的TC4钛合金在800℃-3MPa-1h的扩散连接焊缝的质量，焊接效果更好，其焊缝连接处的强度有所增强，并且焊接后的钛合金板材的力学性能更优。

Claims (6)

1.一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：钛合金表面机械处理：用砂纸打磨待焊表面至抛光，提高表面质量，便于进行后续的表面机械研磨处理；
步骤二：钛合金表面化学处理；将步骤一中经过打磨后的坯料依次进行碱洗、酸洗，以去除表面的油污、杂质及氧化膜；
步骤三：钛合金表面机械研磨处理：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的坯料设置在表面机械研磨组件中，利用表面机械研磨组件在氩气环境中对坯料的焊接面进行表面研磨；
所述步骤三中所用表面机械研磨组件包括电磁振动平台和不锈钢密封罐，不锈钢密封罐包括罐体和顶盖，所述不锈钢密封罐的罐体设置在电磁振动平台上，且不锈钢密封罐的罐体通过螺栓与电磁振动平台固定连接，顶盖设置在罐体的上方，且顶盖与罐体密封连接；
所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所需工艺条件为弹丸材料：YG6，弹丸直径：8mm -14mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：15-30Hz，处理时间：4h；
所述步骤三具体是通过以下步骤实现的：
步骤三一：将经过碱洗和酸洗钛合金板材从无水乙醇中取出，冷风吹干后利用粘结剂将其固定于不锈钢密封罐中顶盖的下表面上，并保证钛合金板材的待焊面朝下设置；
步骤三二：在不锈钢密封罐的罐体中添加冷却剂，并填装有多个弹丸后，将粘接有钛合金板材的顶盖安装在罐体上；
步骤三三：对安装有顶盖的不锈钢密封罐罐体的内部充入氩气，获得所需的气体氛围后密封不锈钢罐；
步骤三四：将密封后的不锈钢密封罐通过螺栓连接固定在电磁振动平台上，启动电磁振动平台，在电磁的作用下罐体内部的多个弹丸会对粘接在顶盖下表面的钛合金板材待焊面进行冲击，达到钛合金板材待焊面表面机械研磨的目的，电磁振动平台每工作1h暂停10min以保证表面机械研磨过程中的无明显发热；
步骤三五：待表面机械研磨处理结束后，将钛合金板材取出，依次放入丙酮溶液和无水乙醇中进行超声清洗，清洗后冷风吹干待用；
步骤四：钛合金扩散连接：将步骤三中经过表面机械研磨后的坯料放入扩散连接模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散连接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接；
所述步骤四中扩散连接的工艺参数为：焊接温度600 oC -900oC，焊接压力为2 MPa -4MPa，保温保压时间为1h。
2.根据权利要求1中所述的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，其特征在于：所述步骤一中依次用240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污。
3.根据权利要求2中所述的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，其特征在于：所述步骤二中依次使用配比为NaOH：Na2CO3：H2O=4:3:13的碱洗溶液与配比为5%HF +10%HNO3 + H2O 的酸洗溶液进行碱洗与酸洗以去除待焊表面的氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，随后放入无水乙醇中进行保存。
4.根据权利要求3中所述的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，其特征在于：所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所需工艺条件为弹丸材料：YG6，弹丸直径：10mm，弹丸形状：规则球形，振动频率：20Hz，处理时间：4h。
5.根据权利要求4中所述的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，其特征在于：所述步骤三五中将经过表面机械研磨处理结束后的钛合金板材放入丙酮溶液中的清洗时间为10min，放入无水乙醇中的清洗时间为10min。
6.根据权利要求5中所述的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，其特征在于：所述步骤四中扩散连接的工艺参数为：焊接温度800oC，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。
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