一种钛铝基合金与钛合金添加非晶中间层的扩散焊接方法

摘要

本发明公开了属于焊接技术领域的一种钛铝基合金与钛合金(TC4)添加非晶中间层的异种金属扩散焊接方法。该方法包括如下步骤：对待焊的钛铝基合金进行焊前热处理，热处理的温度为1330～1360℃，保温10～40min；将待焊试件置于保护套内，防止其非焊接接触面在高温下发生塑性变形，在钛铝基合金和钛合金之间夹上一层镍基非晶带，于温度为860～910℃，压强为60～85MPa的条件下进行扩散焊接。本发明获得的接头在常温下抗拉强度为350～400MPa，达到了钛铝基合金母材的80％～90％；400℃抗拉强度为430～470MPa，达到了钛铝基合金母材的90％～98％。

权利要求

1.一种钛铝基合金与钛合金添加非晶中间层的扩散焊接方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：（1）对钛铝基合金进行焊前热处理，热处理的条件为在真空环境下，在温度1330～

1360℃保温10～40min，随炉冷却；

（2）对待焊钛合金和经过热处理的钛铝基合金表面进行清理；

（3）将待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套中，所述钛铝基合金和钛合金之间夹上一层镍基非晶中间层，所述保护套用于使待焊试件在扩散焊接时非焊接面不发生变形；

（4）在温度为860～910℃，焊接压力为60～85MPa的条件下，对钛合金和钛铝基合金进行扩散焊接；

所述镍基非晶中间层的成分及其质量分数范围为：Si:3.0-8.0％,Cr:3.0-15.0％,Ｂ:2.0-6.0％，Ni:余量；

所述钛合金为TC4钛合金。

2.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的焊前热处理温度为

1355℃，保温时间为30min。

3.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤（2）中所述清理为物理清理、化学清理或者先物理清理后化学清理。

4.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：所述镍基非晶中间层的厚度范围为

20-50μm，宽度范围为5-50mm。

5.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：步骤（4）扩散焊接的条件为：温度为

880℃，压力为80MPa。

6.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：所述镍基非晶中间层通过单辊甩带法制备。

7.根据权利要求书1中所述的方法，其特征在于：扩散焊接完毕后，取出焊接试件，对其进行焊后退火处理。

8.根据权利要求书7中所述的方法，其特征在于：所述退火处理的温度为860℃。

说明书

一种钛铝基合金与钛合金添加非晶中间层的扩散焊接方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，涉及一种钛铝基合金与钛合金(TC4)添加非晶中间层的异种金属扩散焊接方法。

背景技术

[0002] 航空航天工业的迅速发展，对结构材料的要求，特别是对高温强度和热稳定性的要求越来越高。TiAl合金具有优良的比强度、比刚度和高温抗氧化性能，比重仅为3.8g/3 3
cm，远远低于现今使用的比重为8.3g/cm 的Ni基高温合金，因此钛铝合金在飞机涡轮、汽车发动机、火箭推进系统等方面成为可替代Ti合金和Ni基高温合金的候选材料之一。

[0003] 在该合金的实用过程中，遇到连接问题是无法避免的，特别是与异类合金(如与高温合金、Ti合金)的连接问题更是一项关键技术。探索该合金与其它金属的连接方法，对促进该合金的实用化、扩大其适用范围以及发挥其性能优势等具有重要意义。采用扩散连接技术，因无需研制特殊焊剂，可以迅速实现复杂大面积零件的连接，对该材料的迅速应用将起到重要的推动作用。

[0004] 异种合金间的连接技术一直是国内外学术界和工业界共同关注的热点前沿课题，特别是对新材料与它种材料的固态连接技术更是研究工作者所关注的重点。与同种合金的固态连接不同，由于异种合金间性能，特别是高温性能的差异，增大了连接工艺参量选择及工艺实施的难度。尤其对于高温组织及性能差异较大的材料，连接温度的选择与保证不同材料的组织和性能之间往往存在矛盾。

[0005] 利用快速凝固技术制备的非晶态合金因其具有很大的过冷度和固液界面推进速度，扩大了固溶极限，抑制平衡相的形成，使化学成分均匀、偏析显著减少。而且由于非晶型合金的熔化温度范围极窄，熔化时间极短，因而具有良好的瞬间流动性，作为中间层能充分发挥毛细吸附功能，从而可获得致密的高强度接头。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术中罕有效果较好的钛铝基合金异种金属连接方法，而提出一种具有实用性，并且能够满足钛铝基合金的焊接，以及拓宽钛铝基合金应用范围的一种钛铝基合金与钛合金添加非晶中间层扩散焊接方法。

[0007] 一种钛铝基合金与钛合金添加非晶中间层扩散焊接方法，该方法包含如下步骤：

[0008] (1)对钛铝基合金进行焊前热处理，热处理的条件为在真空环境下，在温度1330～1360℃保温10～40min，随炉冷却；

[0009] (2)对待焊钛合金和经过热处理的钛铝基合金表面进行清理；

[0010] (3)将待焊钛铝基合金和钛合金置于保护套中，所述钛铝基合金和钛合金之间夹上一层镍基非晶中间层，所述保护套用于使待焊试件在扩散焊接时非焊接面不发生变形；

[0011] (4)在温度为860～910℃，焊接压力为60～85MPa的条件下，对钛合金和钛铝基合金进行扩散焊接。时间根据焊件尺寸而定，以焊件焊透为基准。

[0012] 所述镍基非晶中间层的成分及其质量分数范围为：Si：3.0-8.0％，Cr：3.0-15.0％，B：2.0-6.0％，Ni：余量。所述镍基非晶中间层的厚度范围为20-50μm，宽度范围为5-50mm。利用非晶态合金良好的浸润性，促进两种待焊母材的元素扩散。

[0013] 所述镍基非晶中间层通过单辊甩带法制得：在高纯氩气保护下，在石英管中熔化镍基合金后喷在转动的(线速度从10m/s至80m/s)的单辊铜轮上得到非晶条带，取样品进行X射线衍射分析和DSC测试，以确定其是否为非晶以及非晶含量。

[0014] 所述的焊前热处理优选温度为1355℃，热处理的优选保温时间为30min。

[0015] 步骤(4)扩散焊接的优选条件为：温度为880℃，压强为80MPa。

[0016] 所述钛合金为TC4钛合金。

[0017] 所述保护套根据待焊样尺寸制作，通常由不锈钢材料制成。

[0018] 步骤(2)中对母材表面的清理采用物理清理、化学清理或者先物理清理后化学清理。

[0019] 所述物理清理是用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光，然后放入丙酮溶液中用超声波清洗；

[0020] 所述化学清理是根据母材的不同而配置相应的腐蚀液来去除母材表面的吸附层、杂质或氧化膜。

[0021] 焊接完毕后，可对其进行焊后退火处理，目的为去除残余应力。退火温度优选860℃，时间根据焊件大小而定。

[0022] 本发明的有益效果为：

[0023] 本发明通过在预连接TiAl基合金与TC4合金外侧加不锈钢保护套可以很大程度上减轻TC4合金在900℃下处于超塑性状态进行扩散焊接极易发生的非连接面塑性变形，保证了扩散连接实验的顺利进行，并获得良好的连接效果。

[0024] 通过SEM观察焊缝可发现扩散层在钛合金侧厚度相对未添加中间层的扩散连接方法增加了200％以上。利用本发明得到的接头两侧元素得到了充分的扩散，达到了冶金结合的效果；部分焊样TC4侧接头断口上出现了从TiAl基合金基体上撕裂下来的TiAl片层组织，表明了局部接头的强度高于TiAl基合金基体的强度。附图说明：

[0025] 图1为TiAl基合金与TC4合金进行扩散焊接的模型；

[0026] 图2为熔炼甩带过程示意图；

[0027] 图3为镍基非晶条带的X射线衍射图。

具体实施方式

[0028] 下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0029] 实施例1

[0030] 钛铝基合金和钛合金(TC4)的添加非晶中间层的异种金属等强度接头扩散焊接方法是：

[0031] (1)对待焊的钛铝基合金进行焊前热处理，热处理的条件为在真空环境下，在温度1355℃保温30min，随炉冷却。

[0032] (2)对待焊的钛铝基合金和钛合金表面进行清理。先用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光；然后再将母材放入丙酮溶液用超声波清洗。

[0033] (3)将清理后待焊钛铝基合金和钛合金(TC4)置于保护套中，钛铝基合金和钛合金之间夹有一层厚度为30μm、宽度为20mm的镍基非晶中间层，镍基非晶中间层的成分及其质量分数为：Si：5.0％，Cr：8.0％，B：3.0％，Ni：余量。利用非晶态合金良好的浸润性，促进两种待焊母材的元素扩散。所述保护套根据待焊样尺寸制作。

[0034] (4)在温度为880℃，焊接压力为80MPa的焊接参数下，对钛合金(TC4)和钛铝基合金进行扩散焊接，保持60min。

[0035] (5)焊接完毕，取出焊接试件，随后对其进行焊后退火处理，退火温度为860℃，时间为30min。

[0036] 所述镍基非晶中间层通过单辊甩带法制备：在高纯氩气保护下，在石英管中熔化镍基母合金后喷在线速度为40m/s的单辊铜轮上制备得到非晶条带(如图2)，取样品进行X射线衍射分析，如图3所示，证实其为非晶成分。

[0037] 图1所示为TiAl基合金与TC4合金进行扩散焊接的模型，待焊钛铝基合金与钛合金均呈圆棒状，保护套为不锈钢管，其内径与待焊试件的直径相同，且长度大于待焊TiAl基合金棒与TC4合金棒的长度之和，待焊TiAl基合金棒与TC4合金棒装入保护套中央，非晶条带夹在TiAl基合金棒与TC4合金棒之间，保护套的两端各有一根不锈钢棒伸入保护套中，不锈钢棒的外端用夹头夹住，通过不锈钢棒向中间施力挤压待焊试件。扩散焊接时在试样两侧通电，金属横截面积越小，电阻越大，同样电流下，温度则越高，在试样加热的中间部位有一段均匀加热区。图1所示使用不锈钢保护套，保证了TC4合金在880℃时达到了超塑性状态下在非焊接面上不会发生明显变形。

[0038] 按以上步骤实施例获得的钛铝基合金/钛合金(TC4)接头常温下抗拉强度为350～400MPa，达到了钛铝基合金母材的80％～90％；400℃抗拉强度为430～470MPa，达到了钛铝基合金母材的90％～98％。

[0039] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。