CN114850647A - Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法，通过对Ti2AlNb合金预先进行固溶处理及时效处理，经清理装配后，采用真空电子束焊接并进行焊后热处理。本发明不需要焊前预热、固定焊及修饰焊的工序，采用一道正式焊完成焊接，提高了焊接效率，所形成的焊缝质量良好，焊缝接头均匀连续，没有裂纹、未焊透、未熔合及咬边等缺陷，焊接质量达到Ⅰ级焊缝要求，且通过与焊前热处理的配合，实现了通过焊后热处理获得稳定焊缝组织的前提下可以不牺牲母材的性能，最终获得的焊件性能与母材基本一致。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种合金焊接领域的技术，具体是一种Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法。
背景技术
Ti2AlNb合金是以有序正交结构O相为基础的一类金属间化合物材料的统称，与传统的Ti-Al系金属间化合物相比，Ti2AlNb合金具有更高的室温塑性和断裂韧性，是一种可以在650-750℃温度范围内长时间使用的航空发动机材料。Ti2AlNb合金零件焊接冶金质量的好坏，常常成为零件服役性能的决定性因素，使用常规熔化焊的方法焊接Ti2AlNb合金容易导致裂纹的产生。热输入大且集中、热影响区小、焊接速度快等特点使电子束焊接在Ti2AlNb合金的焊接方面展现出巨大潜力，但现有Ti2AlNb合金电子束焊接工艺较为繁琐，通常需要预热、修饰焊等步骤，且由于Ti2AlNb合金本身的特性，其焊后的焊缝处基本由单一的B2相组成，在高温下极不稳定，受力后焊缝容易发生断裂，为获得稳定的焊缝组织需要进行焊后热处理，但这通常会牺牲部分母材的性能。因此，亟需开发一种适合于Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法。
发明内容
本发明针对现有在各种Ti2AlNb合金航空发动机零部件中，机匣壁薄且结构复杂，采用机械连接难以满足实际使用需求，需要机加工后焊接成型，针对现有焊接技术的不足，提出一种Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法，不需要焊前预热、固定焊及修饰焊等工序，采用一道正式焊完成焊接，提高了焊接效率，所形成的焊缝质量良好，焊缝接头均匀连续，没有裂纹、未焊透、未熔合及咬边等缺陷，焊接质量达到Ⅰ级焊缝要求，且通过与焊前热处理的配合，实现了通过焊后热处理获得稳定焊缝组织的前提下可以不牺牲母材的性能，最终获得的焊件性能与母材基本一致。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法，通过对Ti2AlNb合金预先进行固溶处理及时效处理，经清理装配后，采用真空电子束焊接并进行焊后热处理。
所述方法具体包括：
步骤1、焊前热处理：根据Ti2AlNb合金相图选择合适的热处理工艺，使用真空热处理炉对Ti2AlNb样品进行焊前热处理，包括固溶处理及时效处理两个工序，其中：固溶处理工艺为以10℃/min速率升温至940-970℃，保温1.5h后水冷；时效处理工艺为以10℃/min速率升温至800-830℃保温24h后空冷。
步骤2、焊前清理：用砂纸对焊接面进行打磨，去除焊接面附近的氧化皮和油污，并用丙酮清洗表面，保证焊接面光滑干净，无杂质、氧化物等。
步骤3、焊接装配：使用专用夹具对待焊工件进行装配固定，调节位置使焊接面紧密贴合，焊缝的最大配合间隙≤0.1mm，阶差不大于母材的10％。
步骤4、电子束焊接：对焊接室进行抽真空，调节程序，设定焊接参数，其中：加速电压80-150kv，焊接速度1000-1200mm/min，电子束束流10-20mA，采用正式焊一道工序完成焊接，焊后自然冷却。
步骤5、焊缝检查：目视检查焊缝外观质量，着色渗透检查焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷。
步骤6、焊后热处理：使用真空热处理炉对样品进行焊后热处理，焊后热处理的温度区间为800-830℃，保温时间2-3小时，保温结束后空冷。
技术效果
本发明在获得良好焊缝质量的同时可以减少焊接工序，提高焊接效率。使用固溶时效态的合金进行焊接，需结合焊前热处理工艺来选择焊后热处理工艺，焊后热处理温度需略低于或等于焊前的时效处理温度。与现有技术相比，本发明通过焊后热处理，获得稳定焊缝组织的同时可以不牺牲母材的性能，经焊后热处理后的焊件性能基本与母材一致。
附图说明
图1为实施例中焊缝的正面及反面外观形貌图；
图2为实施例中焊态的焊缝截面形貌图；
图3为实施例中焊后热处理态的焊缝截面形貌图；
图4为实施例中母材1、焊态1以及焊后热处理态1接头的工程应力应变曲线图。
具体实施方式
本实施例的焊接对象为Ti2AlNb合金薄板，板厚3mm，焊接面为平面，焊接工艺步骤包括：
步骤1：根据Ti2AlNb合金相图选择合适的热处理工艺，使用真空热处理炉对Ti2AlNb样品进行焊前热处理，包括：固溶处理及时效处理，其中固溶处理工艺为以10℃/min速率升温至960℃，保温1.5h后水冷；时效处理工艺为以10℃/min速率升温至810℃保温24h后空冷。
步骤2：用线切割将步骤1)中热处理过的样品加工为3mm后的薄板，用砂纸对焊接面进行打磨，去除焊接面附近的氧化皮和油污，并用丙酮清洗表面，保证焊接面光滑干净，无杂质、氧化物等。
步骤3：使用专用夹具对待焊工件进行装配固定，调节位置使焊接面紧密贴合，焊缝的最大配合间隙≤0.1mm，最大错位量≤0.3mm。
步骤4：对焊接室进行抽真空，调节程序，设定焊接参数，加速电压120kv，焊接速度1200mm/min，电子束束流12mA，采用正式焊一道工序完成焊接，焊后自然冷却。
步骤5：目视检查焊缝外观质量，着色渗透检查焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷。
步骤6：使用真空热处理炉对样品进行焊后热处理，焊后热处理的温度区间为810℃，保温时间2小时，保温结束后空冷。
实施结果
焊接完成后对焊件进行检查，如图1所示，焊缝外观平整光滑，无明显缺陷，图2为焊缝内部组织图，可以看到焊缝内部无气孔、裂纹、夹杂、未熔合等缺陷，通过着色渗透检以及射线检查均未发现明显焊接缺陷，符合Ⅰ级焊缝标准要求。图3为焊后热处理态的焊缝内部组织图，结果表明经过焊后热处理后，焊缝内部没有产生裂纹等缺陷。表1为母材、焊态及焊后热处理态的合金力学性能汇总。可以看出焊后热处理可以显著提高焊态合金的性能，焊后热处理态的合金性能基本与母材相同，且都在远离焊缝的基体中断裂。图4为母材1、焊态1以及焊后热处理态1接头的工程应力应变曲线图。
表1
与现有技术相比，本发明在获得良好焊缝质量的同时可以减少焊接工序，提高焊接效率，同时通过焊后热处理基本不牺牲母材的性能，焊后热处理态的合金性能基本与母材一致。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (2)
1.一种Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法，其特征在于，通过对Ti2AlNb合金预先进行固溶处理及时效处理，经清理装配后，采用真空电子束焊接并进行焊后热处理；
所述的固溶处理工艺为以10℃/min速率升温至940-970℃，保温1.5h后水冷；时效处理工艺为以10℃/min速率升温至800-830℃保温24h后空冷；
所述的焊接过程包括对焊接室进行抽真空，调节程序，设定焊接参数，其中：加速电压80-150kv，焊接速度1000-1200mm/min，电子束束流10-20mA，采用正式焊一道工序完成焊接，焊后自然冷却。
2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金的电子束焊接及热处理方法，其特征是，具体包括：
步骤1、焊前热处理：根据Ti2AlNb合金相图选择合适的热处理工艺，使用真空热处理炉对Ti2AlNb样品进行焊前热处理，包括固溶处理及时效处理两个工序，其中：固溶处理工艺为以10℃/min速率升温至940-970℃，保温1.5h后水冷；时效处理工艺为以10℃/min速率升温至800-830℃保温24h后空冷；
步骤2、焊前清理：用砂纸对焊接面进行打磨，去除焊接面附近的氧化皮和油污，并用丙酮清洗表面，保证焊接面光滑干净，无杂质、氧化物；
步骤3、焊接装配：使用专用夹具对待焊工件进行装配固定，调节位置使焊接面紧密贴合，焊缝的最大配合间隙≤0.1mm，阶差不大于母材的10％；
步骤4、电子束焊接：对焊接室进行抽真空，调节程序，设定焊接参数，其中：加速电压80-150kv，焊接速度1000-1200mm/min，电子束束流10-20mA，采用正式焊一道工序完成焊接，焊后自然冷却；
步骤5、焊缝检查：目视检查焊缝外观质量，着色渗透检查焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷；
步骤6、焊后热处理：使用真空热处理炉对样品进行焊后热处理，焊后热处理的温度区间为800-830℃，保温时间2-3小时，保温结束后空冷。
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