高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法

摘要

本发明涉及高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，通过采用粉‑固共装、TC4钛合金粉末预处理技术、高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金热等静压扩散连接技术等工艺方法，可以实现高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金连接的焊接部位为任意复杂形状型面下的高效可靠焊接，制备出的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件焊接性能稳定可靠、焊接区域致密，无细微裂纹、接头强度系数高。

权利要求

1.高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将高铌TiAl系金属间化合物加工成需要的形状，之后将高铌TiAl系金属间化合物块料和TC4钛合金预合金粉末装入同一个包套中，并对包套在一定温度下进行抽真空，使包套内真空度满足要求后封闭包套；

(2)、将包套放入热等静压设备中，通过加压升温进行预处理；

(3)、将热等静压设备中包套的温度升温至要求温度，进行热等静压扩散焊连接；

(4)、将包套随炉冷却至室温，去除包套，得到高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件坯料，并根据需要对复合构件坯料进行机械加工；

所述步骤(1)将高铌TiAl系金属间化合物加工成需要的形状后，在高铌TiAl系金属间化合物构件与TC4钛合金连接的待焊接部位添加中间层金属，所述中间层金属为：Ti-15Ni-

15Cu或者Ti3Al基合金；

所述步骤(2)中进行预处理的具体工艺方法为：将包套装入热等静压设备中，首先加压使包套内压力至37～45MPa，然后升温至650～820℃，保温1～2h。

2.根据权利要求1所述的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：所述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金连接的待焊接部位型面可为预先设计形状型面，包括曲面和平面。

3.根据权利要求1所述的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：采用电镀、离子镀或电弧沉积的方法将中间层金属附着在高铌TiAl系金属间化合物构件待焊接部位表面。

4.根据权利要求1所述的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中对包套进行抽真空的具体方法为：在室温下抽真空时间≥1h，待包套内的真空度优于2×10－3Pa后，将包套升温至250～300℃，保温2～3h；待包套内真空度优于4×10－3Pa后，将包套升温至600～800℃，保温时间≥6h，待包套内真空度优于3×

10－3Pa后封闭包套。

5.根据权利要求1所述的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中将焊接所用母材中熔点较高的高铌TiAl系金属间化合物作为保持焊接型面的块料，状态可为铸态、锻造态或粉末冶金态化合物；将熔点较低的TC4钛合金制成球形预合金粉末，粉末的粒度要求为d≤180μm的通粉。

6.根据权利要求1所述的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中进行热等静压扩散焊连接的具体工艺方法为：首先升温使包套内温度为900～950℃，保温3～4h，压力控制在130～150MPa范围内，保温结束后，随炉冷却到室温。

7.根据权利要求1所述的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，其特征在于：所述包套的材料为低碳钢、不锈钢或者纯钛材料。

说明书

高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，属于新材料新工艺领域。

背景技术

[0002] 随着飞行速度及飞行距离的不断提高，型号武器对其耐热结构的轻质化要求就越来越高。目前，在900～1100℃左右使用的金属材料大多为镍基高温合金或者合金钢，其密度在8～9g/cm3之间，无法满足型号结构轻质化的需求。高铌TiAl系金属间化合物的密度在4.0g/cm3左右，在900～1100℃左右具有优越的高温性能，可以在这个温度区间成为镍基高温合金或合金钢的替代材料，从而使该部件的质量降低50％左右。

[0003] TC4钛合金是在航空航天领域应用最为广泛的轻质结构材料之一。因此，高铌TiAl系金属间化合物的工业化应用必然涉及到高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金的连接问题。由于高铌TiAl系金属间化合物具有室温脆性，在运用氩弧焊、电子束焊、激光焊等传统的熔焊方法进行高铌TiAl系金属间化合物和TC4钛合金连接的过程中，会在焊接区域形成微裂纹；目前的扩散焊技术，包括摩擦焊、超塑性扩散焊及施压扩散焊虽然可以制备高铌TiAl系金属间化合物接头，但是这些工艺方法要求焊接界面形状简单，配合良好，因此无法满足某些对焊接界面要求复杂的高铌TiAl系金属间化合物/TC4钛合金复合构件的需求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，该方法可制备出焊接部位及形状可预先设计、可以为任意复杂形状的型面，且焊接性能稳定可靠、焊接区域致密，无细微裂纹、接头强度系数高的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件。

[0005] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

[0006] 高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法，包括如下步骤：

[0007] (1)、将高铌TiAl系金属间化合物加工成需要的形状，之后将高铌TiAl系金属间化合物块料和TC4钛合金预合金粉末装入同一个包套中，并对包套在一定温度下进行抽真空，使包套内真空度满足要求后封闭包套；

[0008] (2)、将包套放入热等静压设备中，通过加压升温进行预处理；

[0009] (3)、将热等静压设备中包套的温度升温至要求温度，进行热等静压扩散焊连接；

[0010] (4)、将包套随炉冷却至室温，去除包套，得到高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件坯料，并根据需要对复合构件坯料进行机械加工。

[0011] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金连接的待焊接部位型面可为预先设计形状型面，包括曲面和平面。

[0012] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，步骤(1)将高铌TiAl系金属间化合物加工成需要的形状后，可以在高铌TiAl系金属间化合物构件与TC4钛合金连接的待焊接部位添加中间层金属，所述中间层金属为：纯Ni、Ti-15Ni-15Cu或者Ti3Al基合金。

[0013] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，采用电镀、离子镀或电弧沉积的方法将中间层金属附着在高铌TiAl系金属间化合物构件待焊接部位表面。

[0014] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，步骤(1)中对包套进行抽真空的具体方法为：在室温下抽真空时间≥1h，待包套内的真空度优于2×10－3Pa后，将包套升温至250～300℃，保温2～3h；待包套内真空度优于4×10－3Pa后，将包套升温至600～800℃，保温时间≥6h，待包套内真空度优于3×10－3Pa后封闭包套。

[0015] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，步骤(1)中将焊接所用母材中熔点较高的高铌TiAl系金属间化合物作为保持焊接型面的块料，状态可为铸态、锻造态或粉末冶金态化合物；将熔点较低的TC4钛合金制成球形预合金粉末，粉末的粒度要求为d≤180um的通粉。

[0016] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，步骤(2)中进行预处理的具体工艺方法为：将包套装入热等静压设备中，首先加压使包套内压力至37～45MPa，然后升温至650～820℃，保温1～2h。

[0017] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，步骤(3)中进行热等静压扩散焊连接的具体工艺方法为：首先升温使包套内温度为900～950℃，保温3～4h，压力控制在130～150MPa范围内，保温结束后，随炉冷却到室温。

[0018] 在上述高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法中，包套的材料为低碳钢、不锈钢或者纯钛材料。

[0019] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0020] (1)、本发明通过采用“粉-固共装”、TC4钛合金粉末预处理技术、高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金热等静压扩散连接技术等工艺方法，可以实现高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金连接的焊接部位为任意复杂形状型面下的高效可靠焊接，制备出的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件焊接性能稳定可靠、焊接区域致密，无细微裂纹、接头强度系数高；

[0021] (2)、本发明制备的高铌TiAl系金属间化合物(以Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.3B-0.02Y为例)与TC4钛合金复合接头的强度系数≥0.8，高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金焊接焊缝可靠、无裂纹，且TC4钛合金材料致密度超过理论密度的99％，TC4钛合金材料的内部质量可达到GJB 1580A的A级水平；

[0022] (3)、本发明通过大量试验对“粉-固共装”、TC4钛合金粉末预处理技术、高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金热等静压扩散连接技术的工艺条件进行优化设计，显著提升了制备得到的复合构件的质量和性能。

[0023] (4)、本发明高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金连接的焊接部位及形状可以预先设计，可以为任意复杂形状的型面，实现方法灵活多样，满足不同结构需要，此外该制备方法工艺简单，易于实现。

附图说明

[0024] 图1为本发明高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件制备方法流程图；

[0025] 图2为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金“粉－固共装”工艺示意图；

[0026] 图3为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金复合构件的金相组织图(带中间层金属)；

[0027] 图4为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金复合构件的断口形貌(带中间层金属)；

[0028] 图5为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金复合构件的金相组织图(无中间层金属)；

[0029] 图6为本发明高铌TiAl基金属间化合物/TC4钛合金复合构件的断口形貌(无中间层金属)。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

[0031] 本发明的主要创新点主要集中在“粉-固共装”、TC4钛合金粉末预处理技术、高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金热等静压扩散连接技术等工艺方法。

[0032] (1)高铌TiAl系金属间化合物块料与TC4钛合金预合金粉末“粉-固共装”的工艺方法

[0033] 目前，常见的扩散连接技术只能焊接形状比较简单且相互配合较好的双金属接头，对于焊接界面形状比较复杂的双金属接头具有很大的困难。本发明在粉末冶金技术研究的基础上，提出了将高熔点的基材做成块料，将熔点低的基材做成球形预合金粉末，利用球形粉末良好的流动性确保两种基材在焊接界面处紧密接触，如图2所示为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金“粉－固共装”工艺示意图，图中1表示TC4钛合金粉末，2表示高铌TiAl粉末，3表示除气管，4表示包套。运用本发明提出的“粉-固共装”方法，可以按照产品的要求制备出任意形状的焊接界面，达到焊接界面可“预先设计”的目的。

[0034] (2)TC4钛合金预合金粉末预处理技术

[0035] 一般而言，双金属复合构件的扩散焊温度较高。在此温度下，两种基材的都易于变形，因此，需要在达到扩散焊温度之前对低熔点的基材进行致密化处理。

[0036] 本发明在通过大量试验研究的基础上，提出了对低熔点基材的预合金粉末进行预处理的技术。在预处理期间，低熔点材料的预合金粉末(本方法中为TC4钛合金预合金粉末)在某个较低的热等静压温度范围内进行完全致密化，而高熔点的基材块料的形状在此温度范围内不会发生显著的形变。通过预处理，低熔点基材的预合金粉末形成块料，并在焊接界面处与高熔点基础紧密接触。

[0037] (3)高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金热等静压扩散连接技术

[0038] 常规扩散焊技术的工艺参数只是考虑了中间层金属的扩散情况，而无其它方面的考虑。本发明涉及的热等静压扩散连接技术的研究过程中不仅考虑中间层金属以及两种基材之间的相互扩散，而且必须考虑低熔点基材(本发明中为TC4钛合金)粉末颗粒之间的扩散以及高铌TiAl系金属间化合物材料在此热等静压扩散连接温度范围内的相变。通过大量的试验研究，申请人获得了最佳的高铌TiAl系金属间化合物/TC4钛合金热等静压扩散焊技术的工艺参数。

[0039] 在上述创新点的基础上，申请人通过如下工艺方法制备了焊接界面可“预先设计”、具有较高焊接强度的高铌TiAl系金属间化合物/TC4钛合金复合构件。如图1所示为本发明高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件制备方法流程图。

[0040] 步骤(1)、按照复合构件中高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金焊接界面的位置及形状，将高熔点的高铌TiAl系金属间化合物加工成特定形状的块料，块料的制造方法可以是铸造、热变形或者粉末冶金等方法。块料的特定部位形状和位置与焊接界面的形状和位置一致；将低熔点的TC4钛合金制成球形预合金粉末，粉末的粒度要求为d≤180um的通粉。

[0041] 步骤(2)、将高铌TiAl系金属间化合物块料和TC4钛合金预合金粉末装入包套中。包套的材料可以是低碳钢、不锈钢或者纯钛等材料。然后对包套进行除气(抽真空)。除气方法：在室温下除气时间≥1h，待包套内的真空度优于(小于)2×10－3Pa后，将包套升温至250～300℃，保温2～3h；待包套内真空度优于(小于)4×10－3Pa后，将包套升温至600～800℃，保温时间≥6h，待包套内真空度优于(小于)3×10－3Pa后封闭包套。

[0042] 步骤(3)、将包套放入热等静压设备中，进行预处理；预处理的工艺方法为：首先加压使包套内压力至37～45MPa，然后升温至650～820℃，保温1～2h。其作用是在确保高铌TiAl系金属间化合物外形尺寸保持稳定的同时，实现TC4钛合金粉末的完全致密化，并与高铌TiAl系金属间化合物待焊接部位保持充分接触，确保高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金焊接界面的形状与位置不发生显著变化。

[0043] 步骤(4)、完成预处理后，将热等静压设备中包套的温度升温至要求温度，进行热等静压扩散焊连接；热等静压扩散焊的工艺参数为：首先升温使包套内温度为900～950℃，保温3～4h，压力控制在130～150MPa范围内。保温结束后，采取随炉冷却到室温的方式。

[0044] 步骤(5)、待保温结束后，冷却至室温。

[0045] 步骤(6)、去除双金属复合构件外面的包套，然后找到高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金双金属焊接界面，以此焊接界面为基准，按照预先设计的复合构件的外观进行机械加工，即可获得高性能的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件。

[0046] 本发明方法制备的高铌TiAl系金属间化合物(以Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.3B-0.02Y为例)与TC4钛合金复合接头的强度系数≥0.8；通过此工艺所形成的高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金焊接焊缝可靠、无裂纹；通过此工艺制备的TC4钛合金材料致密度超过理论密度的99％。通过此工艺制备的TC4钛合金材料的内部质量可达到GJB 1580A的A级水平。

[0047] 实施例1

[0048] 一种高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制造方法，包括以下步骤：

[0049] (1)、按照构件使用要求，将高铌TiAl系金属间化合物Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.3B-0.02Y(at％)(下面简称为Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y))铸棒加工成所需要的形状；

[0050] (2)、用电镀或离子镀的方法将中间层金属Ti-15Ni-15Cu附着在Ti-45Al-8.5Nb-(W，B，Y)的表面；厚度为150um。

[0051] (3)、将处理后Ti-45Al-8.5Nb-(W，B，Y)料块和TC4钛合金预合金粉末装入20#低碳钢包套中。

[0052] (4)、将包套接到真空机组上在室温下抽真空，时间为2h。

[0053] (5)、待包套内的真空度优于1.5×10-3Pa后，将包套放入加热炉中，缓慢升温至300℃，保温3h。待包套内真空度优于3×10－3Pa后，将包套升温至700℃，保温时间为8h。

[0054] (6)、待包套内真空度优于2.5×10－3Pa后，将包套取出，用氩弧焊接的方法封焊包套。

[0055] (7)、将包套放入热等静压机中，进行预处理，预处理工艺为：先打压至38MPa，然后缓慢升温至750±10℃，保持1.5h；

[0056] (8)、保温结束后，将热等静压机升温至920±10℃，保持3h，压力控制在150MPa，然后随炉冷却至室温出炉。

[0057] (9)、去除外边的20#低碳钢包套，以Ti-45Al-8.5Nb-(W，B，Y)料块和TC4钛合金的边界为基准，按照图纸要求进行机械加工，就可取得所需的Ti-45Al-8.5Nb-(W，B，Y)/TC4扩散焊接复合构件。

[0058] 利用本发明获得的Ti-45Al-8.5Nb-(W，B，Y)/TC4扩散焊接复合构件的室温力学性能(抗拉强度)如下表1所示，微观组织如图3、图4所示。

[0059] 表1 Ti-45Al-8.5Nb-(W，B，Y)/TC4扩散焊接复合构件的室温力学性能[0060]

[0061] 如图3所示为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金复合构件的金相组织图(带中间层金属)；图4为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金复合构件的断口形貌(带中间层金属)；由图可以看出焊接区域致密，无细微裂纹。通过此工艺制备的TC4钛合金材料致密度超过理论密度的99％，通过此工艺制备的TC4钛合金材料的内部质量可达到GJB 1580A的A级水平。

[0062] 实施例2

[0063] 一种高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制造方法，包括以下步骤：

[0064] (1)、按照构件使用要求，将高铌TiAl系金属间化合物Ti-45Al-8Nb(at％)粉末冶金棒材加工成所需要的形成；

[0065] (2)、将处理后Ti-45Al-8Nb料块和TC4钛合金预合金粉末装入不锈钢1Cr18Ni9Ti包套钢包套中。

[0066] (3)、将包套接到真空机组上在室温下抽真空，保持2h。

[0067] (4)、待包套内的真空度优于1×10-3Pa后，将包套放入加热炉中，缓慢升温至300－3℃，保温3h。待包套内真空度优于2×10 Pa后，将包套升温至780℃，保温时间为9h。

[0068] (5)、待包套内真空度优于1.5×10－3Pa后，将包套取出，用氩弧焊接的方法封焊包套。

[0069] (6)、将包套放入热等静压机中，进行预处理，预处理工艺为：先打压至45MPa，然后缓慢升温至800℃，保持2h；

[0070] (7)、保温结束后，将热等静压机升温至910℃，保持4h，压力控制在145MPa，然后随炉冷却至室温出炉。

[0071] (8)、去除外边的1Cr18NI9Ti包套，以Ti-45Al-8Nb料块和TC4钛合金的边界为基准，按照图纸要求进行机械加工，就可取得所需的Ti-45Al-8Nb/TC4扩散焊接复合构件。

[0072] 用本发明获得的Ti-45Al-8Nb/TC4扩散焊接复合构件的室温力学性能(抗拉强度)如下表2所示，微观组织如图5、图6所示。

[0073] 表2 Ti-45Al-8Nb/TC4扩散焊接复合构件的室温力学性能

[0074]

[0075] 如图5所示为本发明高铌TiAl基金属间化合物与TC4钛合金复合构件的金相组织图(无中间层金属)；图6所示为本发明高铌TiAl基金属间化合物/TC4钛合金复合构件的断口形貌(无中间层金属)。由图可以看出焊接区域致密，无细微裂纹。通过此工艺制备的TC4钛合金材料致密度超过理论密度的99％，通过此工艺制备的TC4钛合金材料的内部质量可达到GJB 1580A的A级水平。

[0076] 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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。

[0077] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。