一种TiAl-Ti2AlNb异种金属焊接材料及其低温高效的扩散焊连接方法技术

本发明专利技术公开一种TiAl

【技术实现步骤摘要】
一种TiAl
‑
Ti2AlNb异种金属焊接材料及其低温高效的扩散焊连接方法


[0001]本专利技术属于异种金属材料焊接领域，具体涉及一种TiAl
‑
Ti2AlNb异种材料低温高效的扩散焊连接方法。
技术背景
[0002]钛铝金属间化合物是航空航天领域的新兴轻质高温结构材料，具有低的密度、高的弹性模量和高温比强度，在高温下具有优异的阻燃、抗氧化和抗蠕变等性能。在钛铝金属间化合物中，TiAl合金和Ti2AlNb合金是最具代表性的两种材料，分别具有独特的性能。TiAl合金具有备受关注的低密度(3.7～3.9g/cm3)和高温比强度等性能，工作温度可达760℃～850℃，但室温塑性和加工性能较差；Ti2AlNb合金虽然密度(5.0～5.8g/cm3)高于TiAl合金，工作温度在650℃
‑
750℃之间，但塑性较TiAl显著提高，伸长率最高可达13％。将TiAl合金和Ti2AlNb合金通过焊接技术连接起来，可以充分利用两种材料的优点，来替代传统的镍基高温合金制造一些航空发动机中的关键部件，有效的减少部件重量。例如，利用TiAl合金制造服役温度较高、尺寸较小的低压涡轮叶片，Ti2AlNb合金制造服役温度稍低、尺寸较大的低压涡轮盘。然而，由于TiAl与Ti2AlNb合金的异种金属连接存在焊后冷裂纹和高温不易变形等问题，熔焊和摩擦焊等常规方法焊接存在较大的困难，解决其焊接问题是推动TiAl合金和Ti2AlNb合金应用的关键。
[0003]目前，固态扩散焊技术是连接TiAl与Ti2AlNb合金的热门方法，由于具有变形量小，接头组织与母材相近的特点，可以获得高强度接头。因此，TiAl合金与Ti2AlNb合计的扩散焊连接技术吸引了国内外学者研究。文献“Difiusion Bonding of Dissimilar Intermetallic Alloys Based on Ti2AlNb and TiAl,Jianying Zou,Yuyou Cui,Rui Yang.:Journal of Marine Science and Technology,2009,25(06):P.819
‑
824.”对TiAl合金与Ti2AlNb合金采用了扩散焊进行连接，在焊接参数为1000℃/20MPa/60min时获得最高剪切强度259.8MPa,研究表明，焊接温度需要维持在1000℃以上，温度低于1000℃，焊缝组织会形成AlNb2脆性组织；焊接时间须达到60min，但焊接时间过长也会在Ti2AlNb合金一侧形成富B2区、AlNb2组织和富B2区会降低接头强度。文献“Microstructure evolution and mechanical properties of diffusion bonding high Nb containing TiAl alloy to Ti2AlNb alloy,Zhu Lei,Li Jinshan,Tang Bin,Liu Yan,Zhang Mengqi,Li Lei,Kou Hongchao.:Vacuum,2019,164:P.140
‑
148”也得到了相似的结果，在焊接参数1000℃/20MPa/90min时得到的接头强度最高。在此基础上，有研究人员为了减少扩散界面的脆性相形成，进一步在焊接过程中添加中间层。中国航发北京航空材料研究院在公开号为“CN114131295A”的专利技术中提出了一种以Ti
‑
Nb合金作为中间层的扩散焊方法，该中间层可以控制连接接头中的脆性组织形成，减少合金中间层的残留，降低接头脆性倾向，得到与母材相近的焊缝组织；同时在一定程度上降低扩散焊连接温度。焊接实施工艺为：温度960℃，焊接压力为5～25MPa，焊接时间为0.5～1h。然而，上述扩散焊技术不管是TiAl合金与
Ti2AlNb合金直接连接还是施加中间层的方法，焊接所需的时间较长，温度高，导致了焊件的生产效率底下和成本增加。此外，由于焊接温度超过两种母材的安全工作温度，长时间暴露在高温条件下，对母材自身的力学性能有不可忽视的损伤，不利于获得力学性能满足航空发动需求的耐高温部件。
[0004]针对上述问题，本专利技术基于TiAl合金与Ti2AlNb合金扩散焊接需要缩短焊接时间和降低焊接温度的需求，提供了一种脉冲大电流扩散焊接的方法，在对焊件焊接过程中通入方波脉冲电流，促进焊件焊合。该焊接方法中的脉冲电流能加速元素扩散，进而达到低温快速焊接的目的。此外，焊接热源来自焊件自身的焦耳热，最高温度区在连接界面处，因此该方法也具有不等温特性，能减少焊接过程中对母材的高温损伤，实现焊件的的高效、高质量连接。
[0005]为制备TiAl
‑
Ti2AlNb高强度的异种材料焊接接头。本专利技术的目的在于提供一种TiAl
‑
Ti2AlNb异种金属低温高效的扩散焊连接方法。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007](1)TiAl和Ti2AlNb试样焊接表面处理。依次采用360#、600#、1200#、2000#SiC水砂纸对试样表面进行打磨，待消除试样表面氧化层和显著划痕后采用1.5#金刚石研磨膏进行机械抛光，使待焊表面呈现镜面后，一次采用丙酮、无水乙醇超声清洗5
‑
10min。焊前放置在无水乙醇中保存备用
[0008](2)焊件装配。将待焊工件抛光面进行贴合，放入装配模具中。装配模具选用高强石墨制作，使其具有导电功能。石墨模具对焊接面施压，放置0.2～0.4mm石墨纸，提高模具与焊件的导电面积。焊件装配时，要求测温孔与焊接界面处于同一高度，以便直接检测焊接界面温度。
[0009](3)脉冲大电流扩散焊连接。将按照要求装配好的待焊工件放入脉冲大电流焊接设备中，本技术方案的脉冲大电流焊接通过放电等离子焊接装置实现，完成加热程序后，断开脉冲电流，随炉冷却至室温。
[0010]步骤(3)中具体焊接参数：
[0011]真空度：9
×
10
‑2Pa～5
×
10
‑2Pa，
[0012]焊接温度为：750℃～950℃，
[0013]焊接时间：3min～20min，
[0014]焊接压力：5MPa～15MPa
[0015]脉冲电流：1500A～2500A,
[0016]电压为：3V～5V,
[0017]脉冲比(ON/OFF)：12/2～6。
[0018]优选参数为：焊接温度900℃、焊接时间10min、焊接压力10MPa，脉冲On/Off＝12/2、焊接压力10MPa、脉冲电流1800A、电压3.0～3.5V。
[0019]与现有技术相比，本专利技术技术方案具有以下优点：
[0020]本专利技术提出了脉冲大电流扩散焊连接TiAl合金与Ti2AlNb合金的方法，该方法操作简单，不需要熟练的操作人员和特别的模套技术。
[0021本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiAl
‑
Ti2AlNb异种金属低温高效的扩散焊连接方法，其特征在于，该材料在真空条件下，通入脉冲大电流，并施加压力，经过快速的升温、较短时间的保温和冷却后焊接而成。2.根据权利要求1所述TiAl
‑
Ti2AlNb异种金属低温高效的扩散焊连接方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)TiAl和Ti2AlNb试样焊接表面处理，依次采用360#、600#、1200#、2000#SiC水砂纸对试样表面进行打磨，待消除试样表面氧化层和显著划痕后采用1.5#金刚石喷雾抛光剂进行机械抛光，使待焊表面呈现镜面后，依次采用丙酮、无水乙醇超声清洗；焊前放置在无水乙醇中保存备用；(2)焊件装配：将待焊工件抛光面进行贴合，放入装配模具中，装配模具选用高强石墨制作，使其具有导电功能；石墨模具对焊件的施压面之间，放置石墨纸，提高模具与焊件的导电面积；焊件装配时，要求测温孔与焊接界面处于同一高度，以便直接检测焊接界面温度；(3)脉冲大电流扩散焊连接：将按照要求装配好的待焊工件放入脉冲大电流焊接设备中，脉冲大电流焊接通过放电等离子焊接装置实现，完成加热程序后，断开脉冲电流，随炉冷却至室温。3.根据权利要求2所述TiAl
‑
Ti2AlNb异种金属低温高效的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤(1)中，焊接原材料分别为TiAl和Ti2AlNb块体材料。4.根据权利要求2所述TiAl
‑
Ti2AlNb异种金属低温高效的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤(1)中，所述超声清洗时间为5～10min。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小强，范佳锋，徐港来，朱镇岑，屈盛官，杨超，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：