Ti-Al金属间化合物合金过渡液相扩散焊复合连接方法技术

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Ｔｉ↓［３］Ａｌ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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术包括如下步骤(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 Cu14～25％；Ni10～25％；Zr5～15％；其余为Ti。采用本专利技术焊接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。具体实施例方式下面结合具体实施例详细描述本专利技术，所述的实施例仅用于描述本专利技术，而不是限制本专利技术。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 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，加热过程中真本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ｔｉ↓［３］Ａｌ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↑［－２］ ＭＰａ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：宁立芹，梁德斌，李海刚，毛建英，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第一研究院第七零三研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]