CN115928217B - 键合态TiAl单晶及其扩散键合工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了键合态TiAl单晶及其扩散键合工艺方法。对焊缝处进行EBSD等试验表征，结果表明：焊接之前将TiAl单晶待焊面表面粗糙度降低至200nm以下，压力在10～50MPa之间，焊接温度在950～1250℃之间，保温时间为1～10h时TiAl单晶样品焊合率在90％以上，实现了有效扩散键合；在10～30MPa压力下，焊接温度在1050～1150℃之间，保温时间为3～10h时焊缝处无再结晶生成，完全通过原子之间直接键合，进一步优化实现了TiAl单晶的无再结晶原子级扩散键合，焊合率高达95％以上。本发明操作方法简单、节能环保、可批量进行压焊，从而得到大尺寸键合态TiAl单晶。
Description
技术领域
本发明属于焊接领域，具体提供了键合态TiAl单晶及其扩散键合工艺方法。
背景技术
TiAl基合金密度低，弹性模量高，综合性能指标优于传统高温合金，韧性又高于普通的陶瓷材料。正是这些优点，使其倍受科研工作者的重视，从而使TiAl基合金成为航空航天领域及汽车发动机耐热结构件的极具竞争力的材料，在航空航天材料中展现出令人瞩目的发展前景，成为新一代高温材料的代表之一，被当做高推重比先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。
目前世界范围内应用的TiAl基合金多为多晶材料，而实际上TiAl单晶的强度及高温稳定性均明显强于TiAl多晶，但是受制于聚片孪生TiAl单晶的生长方式，其单晶尺寸无法满足大尺寸航空构件的需求，要想作为涡轮叶片的替代材料必须对其进行有效焊接，从而获得无再结晶及孔洞等缺陷的大尺寸键合态TiAl单晶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺流程高效、稳定、可批量重复生产的键合态TiAl单晶及其扩散键合工艺方法。本发明主要针对聚片孪生TiAl单晶展开，使用真空扩散焊在高真空度下对样品进行焊合。
本发明的技术方案如下：
键合态TiAl单晶的扩散键合工艺方法，包括以下步骤：将TiAl单晶样品的表面粗糙度Ra值降低到200nm以下，控制扩散焊炉腔内的真空度达到10-4Pa以下，升温至平台温度，随后提高压力至平台压力，保温，再冷却，即可得到键合态TiAl单晶。
优选的，平台温度为950～1250℃，平台压力为10～50MPa，保温时间为1～10h。
优选的，平台温度为1050～1150℃，平台压力为10～30MPa，保温时间为3～10h。
本发明还提供了该扩散键合工艺方法制备得到的键合态TiAl单晶。
优选的，平台温度为1050～1150℃，平台压力为10～30MPa，保温时间为3～10h时，键合态TiAl单晶的焊缝处实现了无再结晶原子级扩散键合。
本发明还提供了该扩散键合工艺方法制备得到的键合态TiAl单晶在作为涡轮叶片的替代材料中的应用。
本发明还提供了该扩散键合工艺方法制备得到的键合态TiAl单晶在航空构件中的应用。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
操作方法简单，成本低，可大批量制备。通过单点金刚石车床进行精密车削降低了TiAl单晶的表面粗糙度；通过在高真空度下对样品进行扩散焊接，有效地隔绝了氧气与待焊面的接触；良好的表面粗糙度和高真空度抑制了待焊面大量再结晶的出现，通过调节温度和压力最终获得片层级再结晶键合和优化条件下的无再结晶原子级键合的高焊合率TiAl单晶，弥补了TiAl单晶焊接领域的空白，并且真正意义上实现了TiAl单晶之间的无再结晶原子级扩散键合。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
图1为对比例2中的样品焊缝表征示意图，(a)为焊缝处BSE图；(b)为焊缝处IPF-Y图；(c)为焊缝处相图；(d)为孔洞统计图。
图2为对比例3中的样品焊缝表征示意图，(a)为焊缝处BSE图；(b)为焊缝处IPF-Y图；(c)为焊缝处相图；(d)为孔洞统计图。
图3为对比例4中的样品焊缝表征示意图，(a)为焊缝处BSE图；(b)为焊缝处IPF-Y图；(c)为焊缝处相图；(d)为孔洞统计图。
图4为实施例5中的样品焊缝表征示意图，(a)为焊缝处BSE图；(b)为焊缝处IPF-Y图；(c)为焊缝处相图；(d)为孔洞统计图。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
对比例1
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削。为探究表面粗糙度对焊合结果的影响，设计一组焊接条件与实施例1相同，表面粗糙度在300nm～400nm的样品进行焊接。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至950℃，待温度达到设定值后，提高压力至10MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。两块样品待焊面粗糙度分别为361nm和323nm，最终样品焊合率为23.26％，未实现有效焊合。
实施例1
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1100℃，待温度达到设定值后，提高压力至50MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。最终样品焊合率为93％，焊接方式为片层级再结晶键合。
实施例2
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1100℃，待温度达到设定值后，提高压力至10MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。最终样品焊合率为94％，焊接方式为片层级再结晶键合。
对比例2
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下(分别为106nm和107nm)。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1100℃，待温度达到设定值后，提高压力至60MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。焊合效果如图1所示，最终样品焊合率为97.8％，焊接方式为粗大再结晶焊合。
对比例3
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1100℃，待温度达到设定值后，提高压力至6.5MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。焊合效果如图2所示，最终样品焊合率为80.5％，焊合率偏低。
实施例3
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至950℃，待温度达到设定值后，提高压力至50MPa，在最高温度点保温3h，随炉冷却。最终样品焊合率为98％，焊接方式为片层级再结晶键合。
实施例4
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1250℃，待温度达到设定值后，提高压力至10MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。最终样品焊合率为99％，焊接方式为片层级再结晶键合。
对比例4
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下(分别为105nm和117nm)。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至900℃，待温度达到设定值后，提高压力至25MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。焊合效果如图3所示，最终样品焊合率为73％，未实现有效焊合。
对比例5
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下(分别为96nm和80nm)。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1300℃，待温度达到设定值后，提高压力至25MPa，在最高温度点保温1h，随炉冷却。最终焊合失败，单晶母材完全转变为再结晶。
实施例5
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下(分别为66nm和85nm)。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1100℃，待温度达到设定值后，提高压力至10MPa，在最高温度点保温10h，随炉冷却。焊合效果如图4所示，最终样品焊合率为96.3％，焊接方式为无再结晶原子级键合。
实施例6
使用金刚石线切割将样品制备成8mm×6mm×4mm的待焊样品，随后将样品的待焊面用单点金刚石车床进行精密车削，使表面粗糙度Ra达到200nm以下。将制备好的样品放进扩散焊炉中，依次打开机械泵和分子泵进行抽真空，直到真空度达到10-4Pa以下。随后升高温度至1150℃，待温度达到设定值后，提高压力至30MPa，在最高温度点保温5h，随炉冷却。最终样品焊合率为98％，焊接方式为无再结晶原子级键合。
表1实施例1～6与对比例1～5的性能对比
由对比例1可知，待焊面的表面粗糙度需保持在200nm以下，可以提高焊合率，实现有效焊合。
由实施例1、2和对比例2,3对比可知，当压力小于10MPa不能实现有效焊合；当压力大于60MPa，焊缝处再结晶尺寸过大。焊合压力需保持在10～50MPa以内，可实现高焊合率(90％以上)并且焊合处的再结晶尺寸适中。
由实施例3、4和对比例4,5对比可知，在如下实验条件(平台温度为950～1250℃、平台压力为10～50MPa之间、保温时间为1～3h)，可以做到聚片孪生TiAl单晶的有效扩散焊合，达成焊合率90％以上的片层级再结晶键合。
由实施例5、6和实施例3、4对比可知，在如下实验条件(平台温度为1050～1150℃、平台压力为10～30MPa、保温时间为3～10h)，可以做到聚片孪生TiAl单晶的有效扩散焊合，达成焊合率95％以上的无再结晶原子级键合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.键合态TiAl单晶的扩散键合工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：将TiAl单晶样品的表面粗糙度Ra值降低到200nm以下，控制扩散焊炉腔内的真空度达到10-4Pa以下，升温至平台温度，随后提高压力至平台压力，保温，再冷却，即可得到所述键合态TiAl单晶；
所述平台温度为950～1250℃，所述平台压力为10～50MPa，所述保温时间为1～10h。
2.根据权利要求1所述的键合态TiAl单晶的扩散键合工艺方法，其特征在于，所述平台温度为1050～1150℃，所述平台压力为10～30MPa，所述保温时间为3～10h。
3.根据权利要求1或2所述的扩散键合工艺方法制备得到的键合态TiAl单晶。
4.根据权利要求1或2所述的扩散键合工艺方法制备得到的键合态TiAl单晶在作为涡轮叶片的替代材料中的应用。
5.根据权利要求1或2所述的扩散键合工艺方法制备得到的键合态TiAl单晶在航空构件中的应用。
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