CN115319268A - 用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层及扩散焊方法 - Google Patents
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Abstract
本案提供了一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层及扩散焊方法，该扩散焊方法通过设计并制备Ti/Al+Nb的三元叠层箔带；将TiAl合金与Ti2AlNb合金，或，TiAl合金与Ti3Al基合金加工成所需的尺寸后，进行打磨、抛光、超声清洗；将三元叠层箔带置于待焊接合金表面，放入真空扩散焊设备中，施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。通过采用合适的Ti/Al+Nb的三元叠层箔带中间层结构和厚度，调控焊接参数，可实现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，实现两种被焊母材的高质量、高强度连接。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或 Ti3Al基合金连接的中间层及扩散焊方法。
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。但这两种材料之间的异种连接无法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(如，J.Y.Zou,et al.Diffusion bonding of dissimilar intermetallicalloys based on Ti2AlNb and TiAl[J].Journal of Materials Science andTechnology,2009,25:819–824.)。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。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、保温时间、试样总变形量来实现扩散连接，但没有说明通过该方法获得的接头强度数值。目前关于TiAl 合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金异种连接的研究报道还较少，需要进一步开展相关研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层及扩散焊方法，得到与两种被焊母材接近的焊缝组织，实现两种被焊母材的高质量、高强度连接。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或 Ti3Al基合金连接的中间层，所述中间层为由多层交替叠加的Ti金属层和Al 金属层，以及单层的Nb金属层组成的Ti/Al+Nb三元叠层箔带。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层中，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带的单个所述Ti金属层和单个所述Al金属层的厚度为20nm～180nm，所述Ti金属层和所述Al金属层多层交替叠加后对应的Ti/Al叠层区域的厚度为20μm～80μm，所述Nb金属层的厚度为 2μm～8μm。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层中，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带为采用电子束物理气相沉积方法制备的箔带材料。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层中，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带采用磁控溅射方法或真空蒸镀方法直接在待焊合金表面制备。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层中，所述Ti金属层和所述Al金属层具有纳米级厚度特征，所述Nb金属层具有微米级厚度特征。
本发明还提供一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，包括：
步骤1、设计并制备Ti/Al+Nb三元叠层箔带作为中间层，所述三元叠层箔带的一侧为Ti金属层和Al金属层的多层交替叠加，另一侧为单层的Nb金属层；
步骤2、将TiAl合金与Ti2AlNb合金，或，TiAl合金与Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，依次进行打磨、抛光和超声清洗处理，得到被焊母材试样；
步骤3、将所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带置于待焊接合金表面，使其Ti/Al 叠层侧接触所述TiAl合金的焊接表面，Nb金属层接触所述Ti2AlNb合金或 Ti3Al基合金的焊接表面，形成被焊工件，把被焊工件放于真空扩散焊设备中，并施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法中，在所述步骤3中，施加压力为5MPa～20MPa，焊接温度为800℃～940℃，保温时长为0.5h～1.0h。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法中，在所述步骤3中，施加压力为10MPa～15MPa。
可选的，在上述用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法中，在所述步骤3中，加热温度为900℃，并在该温度下保温 1h。
本发明所提供的一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层及扩散焊方法，具有以下有益效果：
(1)中间层反应活性方面：不同于现有技术中的传统金属箔复合而成的中间层，本发明所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带中，Ti/Al叠层区域是由纳米级厚度的Ti和Al双金属层交替叠加而成，其具有极高的活性，比如在室温条件下点燃总厚度为30μm～100μm的Ti/Al纳米叠层箔带，它在大气条件下的燃烧速度可以达到10m/s。这种高活性可以在焊接过程中促进原子扩散和反应，降低对焊接温度和保温时间的要求，可以在相对低的焊接温度下实现合金之间的扩散焊接，降低扩散焊过程对被焊母材组织和性能的影响。本发明所述焊接温度不超过940℃。
(2)中间层与被焊母材冶金相容性方面：被焊母材TiAl合金主要组成元素为Ti和Al，其常见成分有Ti-48Al-2Cr-2Nb、 Ti-45Al-2Mn-2Nb+0.8％TiB2(at.％)等，被焊母材Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的主要组成元素为Ti、Al和Nb，其常见成分有Ti-24Al-15Nb-1Mo、 Ti-21Al-14Nb、Ti-22Al-24Nb-0.5Mo(at.％)等。本发明以Ti/Al+Nb三元叠层箔带为中间层，在焊前装配时，使Ti/Al叠层侧接触TiAl合金焊接表面，Nb金属层接触Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的焊接表面，保证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基合金的扩散焊连接，有助于获得冶金相容性良好的扩散焊接头。
此外，采用Ti/Al+Nb三元叠层箔带为中间层，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，叠层箔带内会发生元素的扩散和原子反应，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/Al+Nb 三元叠层箔带作中间层进行TiAl合金与Ti2AlNb合金，或TiAl合金与Ti3Al 基合金的扩散焊连接方法。
(3)中间层内部厚度尺寸方面：目前采用传统机械加工方法获得厚度低于20μm的Nb箔非常困难，而Nb原子扩散速率较小，Nb金属层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，即需要高的焊接温度和长的保温时间，但这有可能损坏被焊母材组织和性能。本发明所述 Ti/Al+Nb三元叠层箔带中Nb金属层厚度控制在微米级，在相对低的焊接温度可以实现原子充分扩散。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1～图3为本发明不同具体实施例提供的Ti/Al+Nb三元叠层箔带的内部结构示意图。其中，图1与图2的Ti/Al叠层交替叠加的先后次序不同，图1与图 3的Ti/Al叠层叠加的厚度不同。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的核心是提供一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层及扩散焊方法，得到与两种被焊母材接近的焊缝组织，实现两种被焊母材的高质量、高强度连接。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1-图3，图1-图3为本发明不同具体实施例提供的Ti/Al+Nb三元叠层箔带的内部结构示意图。其中，图1与图2的Ti/Al叠层交替叠加的先后次序不同，图1与图3的Ti/Al叠层叠加的厚度不同。
本发明提供了一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层，中间层为由多层交替叠加的Ti金属层和Al金属层，以及单层的Nb金属层组成的Ti/Al+Nb三元叠层箔带。
所述Ti金属层和所述Al金属层具有纳米级厚度特征，所述Nb金属层具有微米级厚度特征。在该级别的厚度特征下具有极高的活性，这种高活性可以在焊接过程中促进原子扩散和反应，降低对焊接温度和保温时间的要求，可以在相对低的焊接温度下实现合金之间的扩散焊接，降低扩散焊过程对被焊母材组织和性能的影响。
为了使中间层与两种被焊母材的焊接更加紧密，可以选择合适的 Ti/Al+Nb的三元叠层箔带中间层结构和厚度，具体地，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带中，单个所述Ti金属层和单个所述Al金属层的厚度为20nm～180nm，所述Ti金属层和所述Al金属层多层交替叠加后对应的Ti/Al叠层区域的厚度为20μm～80μm，所述Nb金属层的厚度为2μm～8μm。
具体地，采用电子束物理气相沉积方法制备的箔带材料形成一个整体的 Ti/Al+Nb三元叠层箔带。进一步地，Ti/Al+Nb三元叠层箔带采用磁控溅射方法或真空蒸镀方法直接在待焊合金表面制备。将Ti、Al、Nb元素通过物理气相沉积，在真空条件下，利用蒸发或溅射等物理形式，把固体的材料转化为原子、分子或离子态的气相物质，然后使这些气相物质依次以膜层形式沉积到基体或零件的表面，形成三元叠层箔带。
此外，本发明还提供了一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，包括：
步骤1、设计并制备Ti/Al+Nb三元叠层箔带作为中间层，所述三元叠层箔带的一侧为Ti金属层和Al金属层的多层交替叠加，另一侧为单层的Nb金属层；Ti金属层和Al金属层可以交替叠加多层，具体层数不作限定，可根据实际需要进行适应性选择。并且单层的Nb金属层设置在Ti/Al叠层的任意一侧均可，由于Ti金属层或Al金属层的单层厚度较薄，Ti金属层/Al金属层均可与Nb金属层接触，均能够实现本案的有益效果。
步骤2、将TiAl合金与Ti2AlNb合金，或，TiAl合金与Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，依次进行打磨、抛光和超声清洗处理，得到被焊母材试样；打磨处理具体可采用砂纸打磨待焊面，然后进行抛光和超声清洗处理。
步骤3、将所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带置于待焊接合金表面，使其Ti/Al 叠层侧接触所述TiAl合金的焊接表面，Nb金属层接触所述Ti2AlNb合金或 Ti3Al基合金的焊接表面，形成被焊工件，把被焊工件放于真空扩散焊设备中，并施加压力，经加热、保温、冷却热循环后，实现TiAl合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的扩散焊连接。
本发明提供的一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，该方法通过设计并制备Ti/Al+Nb的三元叠层箔带；将TiAl 合金与Ti2AlNb合金，或，TiAl合金与Ti3Al基合金加工成所需的尺寸后，进行打磨、抛光、超声清洗；将三元叠层箔带置于待焊接合金表面，放入真空扩散焊设备中，施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。通过采用合适的Ti/Al+Nb的三元叠层箔带中间层结构和厚度，调控焊接参数，可实现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，实现两种被焊母材的高质量、高强度连接。
在所述步骤3中，施加压力为5MPa～20MPa，焊接温度为800℃～940℃，保温时长为0.5h～1.0h。通过调控焊接参数，可以在相对低的焊接温度下实现焊接，控制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。
实施例一
本实施例是采用Ti/Al+Nb三元叠层箔带作中间层扩散焊连接TiAl合金与Ti2AlNb合金，该实施例的扩散焊方法包括：
步骤一、设计Ti/Al+Nb三元叠层箔带作作中间层，其中，单个Ti金属层和单个Al金属层的厚度均为100nm，Ti金属层和Al金属层多层交替叠加后对应的Ti/Al叠层区域的厚度为30μm，Nb金属层的厚度为3μm，然后采用电子束物理气相沉积方法制备Ti/Al+Nb三元叠层箔带；
步骤二、将TiAl合金与Ti2AlNb合金加工成所需的尺寸，用砂纸打磨待焊面后，进行抛光和超声清洗处理，得到被焊母材试样；
步骤三、将Ti/Al+Nb的三元叠层箔带置于待焊接合金表面，使Ti/Al叠层侧接触TiAl合金焊接表面，Nb金属层接触Ti2AlNb合金焊接表面，把被焊工件放于真空扩散焊设备中，并施加10MPa的压力，焊接温度880℃，保温时长1.0h，实现TiAl合金与Ti2AlNb合金扩散焊连接。
实施例二
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中采用磁控溅射方法将Ti/Al+Nb 的三元叠层中间层直接制备在TiAl合金表面，制备时先在TiAl合金焊接表面沉积Ti/Al叠层，再沉积Nb金属层，如此焊前装配时保证Nb金属层与Ti2AlNb 合金焊接表面接触。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：所述的是TiAl合金与Ti3Al基合金之间的扩散焊连接，步骤一中所述的单个Ti金属层和单个Al金属层的厚度均为 140nm。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/Al叠层区域的厚度为 40μm，Nb金属层的厚度为5μm。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：步骤三中焊接温度为930℃，保温时间为 0.5h。其它与实施例一相同。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层，其特征在于，所述中间层为由多层交替叠加的Ti金属层和Al金属层，以及单层的Nb金属层组成的Ti/Al+Nb三元叠层箔带。
2.根据权利要求1所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层，其特征在于，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带的单个所述Ti金属层和单个所述Al金属层的厚度为20nm～180nm，所述Ti金属层和所述Al金属层多层交替叠加后对应的Ti/Al叠层区域的厚度为20μm～80μm，所述Nb金属层的厚度为2μm～8μm。
3.根据权利要求1所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层，其特征在于，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带为采用电子束物理气相沉积方法制备的箔带材料。
4.根据权利要求3所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层，其特征在于，所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带采用磁控溅射方法或真空蒸镀方法直接在待焊合金表面制备。
5.根据权利要求1所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层，其特征在于，所述Ti金属层和所述Al金属层具有纳米级厚度特征，所述Nb金属层具有微米级厚度特征。
6.一种用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，其特征在于，包括：
步骤1、设计并制备Ti/Al+Nb三元叠层箔带作为中间层，所述三元叠层箔带的一侧为Ti金属层和Al金属层的多层交替叠加，另一侧为单层的Nb金属层；
步骤2、将TiAl合金与Ti2AlNb合金，或，TiAl合金与Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，依次进行打磨、抛光和超声清洗处理，得到被焊母材试样；
步骤3、将所述Ti/Al+Nb三元叠层箔带置于待焊接合金表面，使其Ti/Al叠层侧接触所述TiAl合金的焊接表面，Nb金属层接触所述Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的焊接表面，形成被焊工件，把被焊工件放于真空扩散焊设备中，并施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。
7.根据权利要求6所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，其特征在于，在所述步骤3中，施加压力为5MPa～20MPa，焊接温度为800℃～940℃，保温时长为0.5h～1.0h。
8.根据权利要求7所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，其特征在于，在所述步骤3中，施加压力为10MPa～15MPa。
9.根据权利要求7所述的用于TiAl合金/Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的中间层的扩散焊方法，其特征在于，在所述步骤3中，加热温度为900℃，并在该温度下保温1h。
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