一种环形结构件无限位扩散连接方法技术

一种环形结构件无限位扩散连接方法，将TiAl轮缘内环形面以及Ti2AlNb轮芯环形面设计为倾斜界面；扩散连接中，随着膨胀距离差的产生，TiAl轮缘沿倾斜界面自动下落，保证TiAl/Ti2AlNb合金连接面一直处于接触状态。当TiAl轮缘到温后，Ti2AlNb轮芯尚未达到扩散连接温度仍继续膨胀，此后Ti2AlNb轮芯便会挤压TiAl轮缘，便在扩散连接面上产生扩散连接压力，实现TiAl合金轮缘与Ti2AlNb合金轮芯的扩散连接。本发明专利技术通过设计合适的环形连接件结构，不施加外界径向压力，不施加约束，不添加夹具，仅依靠自身结构特点在扩散连接面上产生合适的、简单可控的扩散连接压力。整个扩散连接过程仅施加2MPa的下压力，保证下落过程的顺利进行，使得整个扩散连接过程工艺简单，对设备的需要大大减小，减少了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种环形结构件无限位扩散连接方法
本专利技术涉及固态焊接领域，具体是一种外层金属膨胀系数较大的异种金属间化合物环形结构件扩散连接的方法。
技术介绍
Ti-Al系金属间化合物，具有低密度、高比强度和良好的抗氧化性等特点，是理想的轻质高温金属结构材料，在航空发动机与航天飞行器等领域拥有广泛的应用前景。其中TiAl合金的使用温度可达700-900℃，Ti2AlNb合金使用温度可达650℃。但是，Ti-Al系合金具有本征脆性及难加工性，限制了其应用。扩散连接是实现金属间化合物复杂件成形的重要方法，因此研究和发展TiAl/Ti2AlNb合金扩散连接方法至关重要。环形结构的扩散连接件，因其结构特殊性，难以在扩散连接面上产生足够的扩散连接压力，加大了扩散连接难度。学者针对这一难题进行了相关研究，选取一定的扩散连接方法或者选取一定的辅助装置在环形结构扩散连接面上产生有效的扩散连接压力。文献“膨胀压差法扩散连接残余应力数值模拟”研究了钛合金(Ti-6Al-4V)以及铜合金(QA110-3-1.5)筒形件的扩散连接。在850℃-60min-10μm间隙配合工艺条件下，实现了钛合金与铜合金筒形件的扩散连接，但是在靠近端面的接触界面上存在明显的未焊合区域，残余应力较大。该方法是利用外层金属Ti-6Al-4V合金膨胀系数较小，通过简单间隙装配在加热过程中即可获得大小合适的膨胀压差。但是该方法仅适用于外层金属膨胀系数较小的扩散连接结构，并未涉及外层金属膨胀系数较大时如何在连接面上产生扩散连接压力。北京航空大学邓云华博士2014年发表在MaterialsLetters的文献“Studyonrigidrestraintthermalself-compressingbonding-Anewsolidstatebondingmethod”研究了Ti-6Al-4V同种金属间的扩散连接。文献采用一种刚性约束热自压扩散连接方法，对待焊接材料进行约束，限制其膨胀位移，并在待连接面周围利用热源加热实现扩散连接。在850℃条件下成功获得无明显缺陷的扩散连接接头，接头力学性能与基体性能相当。该方法是通过约束材料的位移，使得材料在加热膨胀时相互挤压产生连接压力，实现扩散连接。但是TiAl合金塑性较差，对环形件进行约束，容易造成应力开裂。钢研院在公开号为CN103447759A的专利技术创造中提出了一种采用热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法。将预先热等静压成形的粉末高温合金FGH91盘体与径向固定好的铸造高温合金K4188叶片环机加工、间隙装配、焊接，制成双合金整体叶盘包套，在400～500℃真空条件下将FGH91合金粉末装入盘体及叶片环的间隙内并密封，最终进行热等静压处理，实现了盘体与叶片的冶金结合。在1200℃/4h/130Mpa条件下获得质量良好的双合金整体叶盘。该方法需制作整体叶盘包套并真空装填高温合金粉末再进行热等静压，工艺复杂。西北工业大学唐斌等人在公开号为CN107745178A的专利技术专利中提出一种利用特殊夹具与外层TiAl合金轮缘在加热过程中产生的膨胀压差实现扩散连接的方法。该方法利用夹具实现对TiAl膨胀的部分限制，使其相对Ti2AlNb膨胀较小，在界面上产生膨胀压差，实现扩散连接。该方法虽然能实现外层金属膨胀系数更大的环形件扩散连接，降低TiAl开裂的几率，但是其夹具制作比较困难，对夹具要求比较高，夹具在使用中容易损坏，增加成本。同时TiAl轮缘整体应力较大，存在开裂风险。目前，对TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件的扩散连接研究还不够深入，相关报道甚少。而且外层金属TiAl合金膨胀系数较大，难以通过常规方法获得膨胀压差；若要对边界施加刚性约束进行热自压扩散连接或者使用特殊夹具，容易产生较大的残余应力。因此有必要设计一种方法仅依靠环形件自身结构特点，不施加外界压力，不施加约束，不使用夹具等，便能在环形扩散连接面上产生膨胀压差，同时避免冷却后产生较大残余应力，实现TiAl/Ti2AlNb环形结构件扩散连接。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的容易产生较大的残余应力的不足，本专利技术提出了一种环形结构件无限位扩散连接方法。本专利技术中所述轮缘的内表面为斜面，轮芯的外表面亦为斜面；各所述斜面的倾斜角度均为连接面倾斜角α。本专利技术的具体过程是：步骤1：确定连接面倾斜角的角度。通过仿真模拟软件ABAQUS，采用热应力模拟方法对扩散连接过程中环形连接件的应力应变进行模拟分析，以确定不同角度的连接面倾斜角对扩散连接过程中压力值的影响。在确定连接面倾斜角的角度时，分别选取3°、5°、10°的连接面倾斜角进行数值模拟。根据确定连接面倾斜角的角度，分别模拟不同连接面倾斜角时的应力应变，获得了不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值；对比得到的不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值，确定在连接面上的应力应变分布均匀，且为压应力的连接面倾斜角作为最佳连接面倾斜角度。在确定连接面倾斜角的角度时：Ⅰ模拟连接面倾斜角为3°时的应力应变。依据TiAl轮缘与Ti2AlNb轮芯的尺寸参数，建立比例为1:1的1/4TiAl轮缘与1/4Ti2AlNb轮芯装配后的几何模型；该几何模型的连接面倾斜角为3°。在建立所述几何模型时，预先设定Ti2AlNb轮芯的高度为28mm，使Ti2AlNb轮芯的一端凸出TiAl轮缘端面3mm。向仿真模拟软件ABAQUS中输入所述TiAl合金与Ti2AlNb合金的热物理力学性能；采用热力耦合的六面体八节点的线性实体减缩积分单元C3D8RT划分所建立的1/4TiAl轮缘与1/4Ti2AlNb轮芯几何模型的网格。向得到的所述1/4TiAl轮缘与1/4Ti2AlNb轮芯几何模型中输入热力学边界条件，以模拟在真空扩散焊设备中的加热条件；当达到模拟的保温时间后，所述真空扩散焊设备自然降温至室温，得到冷却结束后残余压力值。所述的热力学边界条件包括真空扩散焊连接的温度和对所述1/4TiAl轮缘与1/4Ti2AlNb轮芯几何模型加热的时长。所得到的不同阶段的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值即为连接面倾斜角为时3°的应力应变。上述过程为扩散连接模拟过程。Ⅱ模拟连接面倾斜角为时5°的应力应变。重复所述扩散连接模拟过程。模拟该模拟连接面倾斜角为时5°的应力应变。与所述所述模拟连接面倾斜角为时3°的应力应变是的不同之处在于，所建立的1/4TiAl轮缘与1/4Ti2AlNb轮芯装配后的几何模型的连接面倾斜角为5°。Ⅲ模拟连接面倾斜角为时10°的应力应变。重复所述扩散连接模拟过程，模拟该模拟连接面倾斜角为时10°的应力应变。与所述所述模拟连接面倾斜角为时3°的应力应变是的不同之处在于，所建立的1/4TiAl轮缘与1/4Ti2AlNb轮芯装配后的几何模型的连接面倾斜角为10°.至此，获得了不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值。步骤2：确定环形连接件尺寸。所述的确定环形连接件尺寸是确定Ti2AlNb轮芯的相对凸出高度。对确定的最佳连接面倾斜角度进行不同Ti2AlNb轮芯相对凸出高度的扩散连接数值模拟；预设Ti2AlNb轮芯相对凸出高度分别为1mm、2mm与3mm。反复重复步骤1中的扩散连接模拟过程，分别获得Ti2AlNb本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形结构件无限位扩散连接方法，其特征在于，所述轮缘的内表面为斜面，轮芯的外表面亦为斜面；各所述斜面的倾斜角度均为连接面倾斜角α；具体过程是：步骤1：确定连接面倾斜角的角度；通过仿真模拟软件ABAQUS，采用热应力模拟方法对扩散连接过程中环形连接件的应力应变进行模拟分析，以确定不同角度的连接面倾斜角对扩散连接过程中压力值的影响；在确定连接面倾斜角的角度时，分别选取3°、5°、10°的连接面倾斜角进行数值模拟；根据确定连接面倾斜角的角度，分别模拟不同连接面倾斜角时的应力应变，获得了不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值；对比得到的不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值，确定在连接面上的应力应变分布均匀，且为压应力的连接面倾斜角作为最佳连接面倾斜角度；步骤2：确定环形连接件尺寸；所述的确定环形连接件尺寸是确定Ti2AlNb轮芯的相对凸出高度；对确定的最佳连接面倾斜角度进行不同Ti2AlNb轮芯相对凸出高度的扩散连接数值模拟；预设Ti2AlNb轮芯相对凸出高度分别为1mm、2mm与3mm；反复重复步骤1中的扩散连接模拟过程，分别获得Ti2AlNb轮芯相对凸出高度为1mm时、2mm与3mm的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值；对得到的Ti2AlNb轮芯相对凸出高度为1、2、3mm时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值进行对比；选取符合扩散连接面上的连接压力值小于Ti2AlNb合金在1000℃下的屈服强度、当冷却至室温后Ti2AlNb轮芯与TiAl轮缘的扩散连接面上的残余应力值降到了80MPa条件的凸出高度作为Ti2AlNb轮芯高度；步骤3：制作环形扩散连接件；根据设计尺寸以及确定的连接面倾斜角的角度α和Ti2AlNb轮芯高度，分别制作TiAl合金轮缘以及Ti2AlNb合金轮芯；步骤4：扩散连接；对制作的将TiAl合金轮缘和Ti2AlNb合金轮芯试件分别超声波除油15min后浸入无水乙醇中超声波清洗5min；将TiAl轮缘置于Ti2AlNb轮芯之上，使二者的连接面紧密贴合，完成装配；将装配件放入真空扩散炉内；该真空扩散炉内的上石墨压头和下石墨压头表面涂抹止焊剂；关闭真空扩散炉的扩散焊机机门；将真空扩散焊机炉腔真空度抽至5×10‑3Pa并保持；通过真空扩散炉内的上石墨压头对待焊接的对TiAl轮缘施加2MPa力，作为压紧力；炉温升至1000℃，并保持90min；随炉冷却至室温，完成扩散连接。...

【技术特征摘要】
1.一种环形结构件无限位扩散连接方法，其特征在于，所述轮缘的内表面为斜面，轮芯的外表面亦为斜面；各所述斜面的倾斜角度均为连接面倾斜角α；具体过程是：步骤1：确定连接面倾斜角的角度；通过仿真模拟软件ABAQUS，采用热应力模拟方法对扩散连接过程中环形连接件的应力应变进行模拟分析，以确定不同角度的连接面倾斜角对扩散连接过程中压力值的影响；在确定连接面倾斜角的角度时，分别选取3°、5°、10°的连接面倾斜角进行数值模拟；根据确定连接面倾斜角的角度，分别模拟不同连接面倾斜角时的应力应变，获得了不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值；对比得到的不同连接面倾斜角时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值，确定在连接面上的应力应变分布均匀，且为压应力的连接面倾斜角作为最佳连接面倾斜角度；步骤2：确定环形连接件尺寸；所述的确定环形连接件尺寸是确定Ti2AlNb轮芯的相对凸出高度；对确定的最佳连接面倾斜角度进行不同Ti2AlNb轮芯相对凸出高度的扩散连接数值模拟；预设Ti2AlNb轮芯相对凸出高度分别为1mm、2mm与3mm；反复重复步骤1中的扩散连接模拟过程，分别获得Ti2AlNb轮芯相对凸出高度为1mm时、2mm与3mm的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值；对得到的Ti2AlNb轮芯相对凸出高度为1、2、3mm时的扩散连接压力值和冷却结束后残余压力值进行对比；选取符合扩散连接面上的连接压力值小于Ti2AlNb合金在1000℃下的屈服强度、当冷却至室温后Ti2AlNb轮芯与TiAl轮缘的扩散连接面上的残余应力值降到了80MPa条件的凸出高度作为Ti2AlNb轮芯高度；步骤3：制作环形扩散连接件；根据设计尺寸以及确定的连接面倾斜角的角度α和Ti2AlNb轮芯高度，分别制作TiAl合金轮缘以及Ti2AlNb合金轮芯；步骤4：扩散连接；对制作的将TiAl合金轮缘和Ti2AlNb合金轮芯试件分别超声波除油15min后浸入无水乙醇中超声波清洗5min；将TiAl轮缘置于Ti2AlNb轮芯之上，使二者的连接面紧密贴合，完成装配；将装配件放入真空扩散炉内；该真空扩散炉内的上石墨压头和下石墨压头表面涂抹止焊剂；关闭真空扩散炉的扩散焊机机门；将真空扩散焊机炉腔真空度抽至5×10-3Pa并保持；通过真空扩散炉内的上石墨压头对待焊接的对TiAl轮缘施加2MPa力，作为压紧力；炉温升至1000℃，并保持90min；随炉冷却至室温，完成扩散连接。2.如权利要求1所述环...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐斌，张晓强，李金山，朱雷，寇宏超，王军，王毅，孙智刚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61