CN1899747A - Ti－Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊复合连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti－Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊复合连接方法，利用该方法焊接Ti3Al合金，接头室温及高温强度均可达到母材强度的80％以上，室温下可获得与母材同等塑性，接头组织均匀与母材接近。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料的连接方法，具体地说是Ti-Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊复合连接方法。
背景技术
Ti3Al金属间化合物是一种新型金属基高温合金，与普通钛合金相比，其密度(3.8～4.2g/cm3)相当，而使用温度更高。普通钛合金的工作温度迄今仍限于600℃以下，Ti3Al金属间化合物工作温度在600～750℃，甚至更高，而且还具有高温比强度、比模量高、抗高温氧化及高温蠕变等优点，与镍基高温合金相比可减重40％左右。因此，近几年来得到了快速发展，并已进入工程化应用，广泛地用于制造航空航天飞行器中承受较高温度的结构件。
作为耐高温的轻质结构材料，Ti3Al基合金在应用过程中也会遇到与其同种或其它材料(如高强度结构钢、钛合金、镍基合金等)的连接，以获得实际使用中所需要的各种形状结构件，尤其是航空、航天、汽车、能源等领域，因其对Ti3Al基合金结构件的需要和特殊要求，更是需要新型复合连接技术，以获得高性能连接接头满足设计要求。
国外开展Ti3Al基合金连接研究的工作相对较早且较深入，所采用的连接方法主要有：
(1)熔化焊—主要包括电子束焊、激光焊、氩弧焊、闪光对焊和电容放电加热熔化电阻焊等；
(2)固态连接—包括摩擦焊、直接对接固态扩散连接、超塑成型与扩散连接(SPF/DB)组合工艺及电容放电加热固态扩散连接等。
根据已有的国内外文献可知，Ti3Al基合金不存在本质上不可连接的问题，其连接技术的关键是：(1)找到某种方法及其相应的工艺，使连接件室温下仍能保持一定的塑性，特别是对于结构复杂和尺寸大的构件确保连接后不出现裂纹，同时保证结构尺寸的稳定性；(2)接头室温强度，特别是高温抗拉强度和高温抗蠕变强度接近母材的强度。
熔化焊存在的主要问题是：焊缝和热影响区(特别是熔合线附近区域)容易出现脆性组织甚至出现裂纹，同时，非真空熔焊工艺都不可避免地在合金中引入间隙元素(如氧、氮和氢等)，这种元素一般具有有害作用。
电子束焊虽然焊接了涡轮壳体组件等结构件，但由于受真空室的限制，在焊接法兰环缝等不规则曲线焊缝时，难以自动进行轨迹行走，只能采用人工调节分段拟合，使得电子束焊在较复杂焊缝轨迹产品上的推广应用受到限制。
传统的钨极氩弧焊，采用焊前预热和焊后热处理的方法，接头塑性＜5％，即使调整冷却速度塑性相对有所改善，但实际中也难以控制，因此工艺上进一步改进提高塑性的余地不大。
固态扩散焊接是目前较理想的连接方法，但因需要施加大的连接压力，对于结构复杂特别是具有曲面和大尺寸的构件，操作困难，同时对连接面的预处理要求高，结构尺寸精度很难保证，工艺复杂。
相对而言，特种钎焊与扩散焊技术具有如下主要特点：通过设计钎料成分可控制钎焊温度、对待焊面预处理的要求不高、小尺寸构件可批量焊接，尤其适合于复杂曲面的焊接、不需要施加大的连接压力、构件变形和残余应力小等。
目前，国内外在Ti3Al基合金本身及其与其它材料的钎焊技术研究方面已进行一定的研究，并取得了较好的成果：我国的潘晖等人为提高Ti3Al基合金钎焊接头的性能，研究了成分为Ti-22.4Al-21.5Nb-2.1Mo的Ti3Al合金粉末对Ti-21.5Cu-21.5Ni钎料组织的影响，但未采用混合钎料实际钎焊Ti3Al基合金；1998年报导美国航空航天局Langley研究中心的R.K.Bird等人采用过渡液相扩散连接(TLPB)方法系统地研究了Ti-14Al-21Nb(wt％)合金与Ti-14Al-21Nb(wt％)合金、Ti-14Al-21Nb(wt％)合金与三种钛合金(包括α+β型钛合金Ti-3Al-2.5V和Ti-6Al-4V，β型钛合金Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)的连接，该文献并未介绍两者的具体成分和其相应的连接工艺；1997年报导美国橡树国家实验室的C.H.Cadden等人采用三种成分五种形式的Ti-Cu-Ni合金钎料扩散钎焊Ti-13.4Al-21.2Nb(wt％)合金，钎焊工艺为：982℃(加热升温速度为5℃/min)×60min×0.4MPa(W块加压)×真空(至少1×10-5Torr)×冷速40℃/min(982℃到800℃)。
所有的研究资料表明：到目前为止Ti3Al基合金的钎焊与扩散焊技术尚存在以下不足：(1)已有的研究都是针对较低Nb含量的Ti3Al基合金进行，对于具有更高力学性能的高Nb含量的Ti3Al基合金，以及O相为主的双相合金等缺乏研究；(2)接头的室温强度548MPa，高温强度485MPa(650℃)，塑性低于母材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ti-Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊连接的方法。
为了实现上述目的，本发明包括如下步骤：
(1)采用Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金作为连接材料，将合金制备成非晶态或以非晶态组织为主的快速凝固的箔带，剪成与接头相匹配的形式，用丙酮清洗干净；
(2)将Ti3Al合金待焊件除油酸洗，表面清洗干净；
(3)将非晶态或以非晶态组织为主的快速凝固的Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金箔带清洗干净置于待焊面，用储能点焊机点焊定位，表面无毛刺、无搭接，接头为对接形式，然后装入焊接夹具，夹紧后放入真空炉；
(4)在温度为1000±50℃条件下，保温10～90min，压块加压0.4～1MPa，随后在880±50℃保温90～360min，之后随炉冷却，加热过程中真空度不低于2×10-2MPa。
所述Ti-Zr-Cu-Ni合金的各元素重量百分比含量为：
Cu 14～25％；
Ni 10～25％；
Zr 5～15％；
其余为Ti。
采用本发明焊接Ti3Al合金，接头室温及高温强度均可达到母材强度的80％以上，室温下可获得与母材同等塑性，接头组织均匀与母材接近。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细描述本发明，所述的实施例仅用于描述本发明，而不是限制本发明。
实施例1
将Ti3Al基合金TAC-1B加工成Φ16×30mm圆棒，表面经3％HF，10％HNO3酸洗液清洗后烘干，
将Ti-13Zr-21Cu-9Ni按重量百分比熔炼成铸锭，制备成非晶态或以非晶态组织为主的快速凝固箔带，剪成与接头相匹配的形式，用丙酮清洗干净。
用储能点焊机点焊定位，将合金箔带清洗干净置于待焊面点焊定位，焊点表面无毛刺、无搭接，接头为对接形式，然后装入焊接夹具，装配定位，用压快加压约0.4～1MPa，装入真空炉。
连接工艺为940℃保温30min，然后降至900℃保温3h，随炉冷却，加热过程中真空度不低于1×10-2MPa，焊后将试样加工成标准拉伸试样。采用上述连接工艺接头强度见表1(其中σb为抗拉强度，σ0.2为屈服强度，δ为延伸率，Ψ为断面收缩率)：
表1
| σb(MPa) | σ0.2(MPa) | δ(％) | Ψ(％) |
| 接头 | 842 | 800 | 1.5 | 1.7 |
| 母材 | 880 | 840 | 3.5 | 5.0 |
实施例2
将Ti3Al基合金TAC-1B加工成Φ16×30mm圆棒，表面经3％HF，10％HNO3酸洗液清洗后烘干，
将Ti-23Cu-15Ni按重量百分比熔炼成铸锭，制备成非晶态或以非晶态组织为主的快速凝固箔带，剪成与接头相匹配的形式，用丙酮清洗干净。
用储能点焊机点焊定位，将合金箔带清洗干净置于待焊面点焊定位，焊点表面无毛刺、无搭接，接头为对接形式，然后装入焊接夹具，装配定位，用压快加压约0.4～1MPa，装入真空炉。
连接工艺为1050℃保温10min，然后降至900℃保温3h，随炉冷却，加热过程中真空度不低于1×10-2MPa，焊后将试样加工成标准拉伸试样。采用上述连接工艺接头强度见表2(其中σb为抗拉强度，σ0.2为屈服强度，δ为延伸率，Ψ为断面收缩率)：
表2
| σb(MPa) | σ0.2(MPa) | δ(％) | Ψ(％) | |
| 接头 | 846 | 717 | 3.6 | 4.5 |
| 母材 | 880 | 840 | 3.5 | 5.0 |
Claims (2)
1.Ti-Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊复合连接方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金作为连接材料，将合金制备成非晶态或以非晶态组织为主的快速凝固的箔带，剪成与接头相匹配的形式，用丙酮清洗干净；
(2)将Ti3Al合金待焊件除油酸洗，表面清洗干净；
(3)将非晶态或以非晶态组织为主的快速凝固的Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金箔带清洗干净置于待焊面，用储能点焊机点焊定位，表面无毛刺、无搭接，接头为对接形式，然后装入焊接夹具，夹紧后放入真空炉；
(4)在温度为1000±50℃条件下，保温10～90min，压块加压0.4～1MPa，随后在880±50℃保温90～360min，之后随炉冷却，加热过程中真空度不低于2×10-2MPa。
2.根据权利要求1所述的Ti-Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊复合连接方法，其特征在于Ti-Zr-Cu-Ni合金的各元素重量百分比含量为：
Cu 14～25％；
Ni 10～25％；
Zr 5～15％；
其余为Ti。
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