一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法

摘要

本发明公开了一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其扩散连接按以下步骤：一、将待焊的高铌TiAl合金连接面采用砂纸打磨后抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗10min；二、将超声清洗后的母材以及厚度为10～30μm箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行放置，并对连接试样施加15～30MPa的轴向压力；在实施扩散连接时，将真空扩散焊机炉腔抽真空至5×10?3Pa后开始通电加热，加热速率为15～30℃/min，加热至1100～1300℃，并保温保压1～3h；三、保温结束后以5～10℃/min的速率进行冷却至600℃，之后随炉冷却至室温，完成了高铌TiAl合金的扩散连接，具有工艺过程简单，耗时短而且得到连接接头质量高等优点。

权利要求

1.一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤如下：步骤一、将待焊的高铌TiAl合金连接面采用砂纸打磨后抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗5-15min；

步骤二、将超声清洗后的母材和Ti/Nb/Ti复合金属箔按照高铌TiAl、Ti/Nb/Ti复合金属箔、高铌TiAl的顺序进行放置，并对连接试样施加15～30MPa的轴向压力，所述Ti/Nb/Ti复合金属箔采用厚度分别为10～30μm的Ti箔和Nb箔制成；在实施扩散连接时，将真空扩散焊机炉腔抽真空至5×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为15～30℃/min，加热至1100～

1300℃，并保温保压1～3h；

步骤三、保温结束后以5～10℃/min的速率进行冷却至600℃，之后随炉冷却至室温，即完成了高铌TiAl合金的扩散连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤一中对母材依次采用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸进行磨光，然后用

0.5μm的抛光膏进行抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗10min。

3.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于：步骤二中Ti/Nb/Ti复合金属箔，采用厚度为20μm的Ti箔和15μm的Nb箔制成。

4.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤二中对连接试样施加20MPa的轴向压力。

5.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤二中加热速率为20℃/min。

6.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤二中加热至1200℃。

7.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤二中保温保压2h。

8.根据权利要求1所述的一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，其特征在于步骤三中冷却速率为10℃/min。

说明书

一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高铌TiAl合金扩散连接，特别是一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法。

背景技术

[0002] 我们知道，TiAl基合金具有低密度、高强度以及优异的抗氧化和抗高温蠕变性能等优点，被认为是一种理想的，具有前景的航空航天，军事以及民用高温结构材料，然而Nb元素的加入降低了其扩散系数，提高了抗氧化性，使得高铌TiAl合金成为了新一代非常有潜力的高温结构材料。但是由于TiAl基合金的可加工性比较差，而且采用机械连接的方法会增加其实际载荷，因此研究TiAl基合金的焊接方法对于促进其在实际中的应用具有重大作用。国内外的学者对TiAl基合金之间的连接进行了相关研究，从目前的报道及相关文献看，对于TiAl基合金之间的连接主要有氩弧焊接，电子束焊接，激光焊接等熔焊焊接和扩散焊，摩擦焊等固态焊接以及钎焊等。在熔焊过程中容易产生夹杂、疏松和热应力等缺陷，严重降低了接头的力学性能。摩擦焊虽然可以得到较好的接头，但是接头形式受到限制，不能连接形状复杂的焊件，再者中间层的加入会使其有多个界面，接头的质量难以控制。对于钎焊，获得的接头使用温度较低（一般小于500℃）并且强度不高，难以发挥TiAl基合金的高温优势，除此之外钎焊过程中一些杂质元素的引入及扩散容易造成母材性能的改变和接头抗腐蚀及氧化性能的降低。相比而言扩散连接技术是获得无缺陷接头以及复杂构件连接的重要途径。

[0003] 公开号为CN 103785944 A的专利提出了一种连接高铌TiAl合金的方法，其先在连接温度较低时对高铌TiAl合金进行扩散连接，之后又将其在1135℃的条件下退火保温12h，不仅总体工艺复杂而且耗时较多。

发明内容

[0004] 为了解决真空扩散连接高铌TiAl合金工艺复杂，接头质量差以及耗时长的问题，本发明提出了一种工艺简单、工作效率高、质量好的采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用的术方案是：一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，步骤如下：
步骤一、将待焊的高铌TiAl合金连接面采用砂纸打磨后抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗5-15min；
步骤二、将超声清洗后的母材以及厚度为10～30μm箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行放置成连接试样，并对连接试样施加15～30MPa的轴向压力；在实施扩散连接时，将真空扩散焊机炉腔抽真空至5×10-3Pa后加热，加热速率为15～30℃/min，加热至1100～1300℃，并保温保压1～3h；
步骤三、保温保压结束后以5～10℃/min的速率进行冷却至600℃，之后随炉冷却至室温，即完成了高铌TiAl合金的扩散连接。

[0006] 本发明步骤一中对母材分别依次采用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸进行磨光，使母材焊接面逐渐由粗糙变成细致光滑，然后用0.3-0.7μm的抛光膏进行抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗5-15min。

[0007] 本发明步骤二中20μm的Ti箔和15μm Nb箔按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行放置。

[0008] 本发明步骤二中对连接试样施加20MPa的轴向压力，轴向压力与连接试样端面呈垂直状。

[0009] 本发明步骤二中加热速率为20℃/min。

[0010] 本发明步骤二中加热至1200℃。

[0011] 本发明步骤二中保温保压2h。

[0012] 本发明步骤三中冷却速率为10℃/min。

[0013] 本发明采用Ti箔和Nb箔作为中间层，由于箔片厚度很小、Ti原子扩散能力极强且反应在高温下进行，所以原子扩散较为充分，形成无未闭合空洞的接头，本发明是在较高温度下（1000℃以上）进行的，此为接头在高温下的应用奠定了基础，更有利于充分发挥高铌TiAl合金的高温性能。在连接工艺中本发明施加了低于合金流变应力的压应力，避免了材料的变形，得到良好接头，更为重要的是本发明相对于其它扩散连接所需时间较短，具有工艺过程简单，耗时短而且得到连接接头质量高等优点，有利于高铌TiAl合金在实际生产中的扩广应用。

附图说明

[0014] 附图1为本发明所得到的高铌TiAl合金扩散连接接头的背散射照片。

具体实施方式

[0015] 本发明技术方案所用的高铌TiAl合金，其名义成分为Ti-42Al-8Nb-0.2W-0.1Y，通过各实施方式或者各实施方式间的任意组合对其进行连接。

[0016] 实施例1：本实施方式一种采用复合金属箔扩散连接高铌TiAl合金的方法，按以下步骤进行：一、将待焊的高铌TiAl合金连接面依次采用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸进行磨光，然后用0.5μm的抛光膏进行抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗10min；
二、将超声清洗后的母材以及厚度为10～30μm箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行放置，并对连接试样施加15～30MPa的轴向压力；在实施扩散连接时，将真空扩散焊机炉腔抽真空至5×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为15～30℃/min，加热至1100～
1300℃，并保温保压1～3h；
三、保温保压结束后以5～10℃/min的速率进行冷却至600℃，之后随炉冷却至室温，即完成了高铌TiAl合金的扩散连接。

[0017] 本实施方式在较高温度下（1100～1300℃）进行，有利于Ti和Nb原子的扩散，以得到良好的接头，更重要的是在较高温度下进行，为接头在较高温度下使用提供了保证；本实施方式采用Ti箔、Nb箔、Ti箔复合金属箔作为中间层，在保温时间较短的情况下获得了无缺陷的连接质量较高的接头，提高了实验效率，降低了能耗，节约了成本。

[0018] 实施例2：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中采用的箔片的厚度为20μm的Ti箔和15μm Nb箔。其它与实施例1相同。

[0019] 实施例3：本实施方式与实施例1不同的是步骤二中采用的加热速率为20℃/min。其它与实施例1相同。

[0020] 实施例4：本实施的过程按以下步骤进行：一、将待焊的高铌TiAl合金连接面依次采用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸进行磨光，然后用0.5μm的抛光膏进行抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗10min；二、将超声清洗后的母材以及厚度为10～30μm箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行放置，并对连接试样施加25MPa的轴向压力；在实施扩散连接时，将真空扩散焊机-3
炉腔抽真空至5×10 Pa后开始通电加热，加热速率为15～30℃/min，加热至1200℃，并保温保压2h；
三、保温保压结束后以5～10℃/min的速率进行冷却至600℃，之后随炉冷却至室温，即完成了高铌TiAl合金的扩散连接。

[0021] 对本实施方式所得到的接头显微组织进行观察，其背散射照片如图1所示，焊缝处无未闭合孔洞，接头质量较高。通过对所得的四个试样进行剪切测试，可得其室温平均剪切强度为290MPa，其中剪切测试数据如表一所示。相对于上述提到的专利，其突出优点在于扩散连接时间较短，效率较高。

[0022] 实施例5：本实施的过程按以下步骤进行：一、将待焊的高铌TiAl合金连接面分别依次采用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸进行磨光，然后用0.5μm的抛光膏进行抛光，并把待焊母材以及复合箔片中间层置于丙酮中超声清洗10min；二、将超声清洗后的母材以及厚度为10～30μm箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行放置，并对连接试样施加20MPa的轴向压力；在实施扩散连接时，将真空扩散焊机炉腔抽真空至5×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为15～30℃/min，加热至1250℃，并保温保压1.5h；三、保温保压结束后以5～10℃/min的速率进行冷却至600℃，之后随炉冷却至室温，即完成了高铌TiAl合金的扩散连接。

[0023] 实施例6：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中采用的冷却速率为10℃/min。其它与具体实施方式一相同。

[0024] 下表为本发明所得到的高铌TiAl合金扩散连接接头剪切强度测试数据。试样编号 1 2 3 4
强度/MPa 273 312 292 283