电沉积Ni-Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法

摘要

电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，属于钛合金低温扩散连接技术领域，本发明为了解决现有技术在对钛合金进行扩散连接时由于其长时间的加热、保温与降温，扩散连接后的板材往往较原始板材在力学性能方面有一定损失的问题，以及较高的扩散连接温度也带来了高能耗及生产周期长的问题，本发明提供的一种基于钛合金表面纳米化的钛合金低温扩散连接工艺。采用电沉积纳米晶镀层来实现钛合金表面纳米化，以增加钛合金的扩散连接过程中的原子扩散通道和合金表面的抗氧化腐蚀能力，来实现在较低温度较低真空度下进行扩散连接获得满足使用需求的扩散连接接头强度，为大尺寸零件在低温低真空条件下的扩散连接提供了有效参考。

权利要求

1.电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：步骤一：钛合金坯料表面机械处理：用砂纸打磨钛合金坯料待焊表面；

步骤二：钛合金坯料表面化学处理：将步骤一中利用砂纸打磨好的钛合金坯料依次进行碱洗、酸洗，以去除表面的油污、杂质和氧化膜；

步骤三：钛合金坯料表面电沉积处理：将步骤二中经过化学处理的钛合金坯料放入电解池中进行电沉积表面纳米化处理，电沉积时所用的电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液；

所述步骤三中钛合金坯料表面电沉积处理的具体方法如下：

步骤三一：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的钛合金坯料从无水乙醇中取出经去离子水清洗去除残留乙醇；

步骤三二：将步骤三一中经过清洗的钛合金坯料冷风吹干后迅速转入装有Ni‑Co主盐溶液的电解池中；

2

步骤三三：采用电流密度为2A/dm ，以50ms为周期，通断比为3:2的方形波、单脉冲方式进行钛合金坯料表面电沉积处理，电沉积时间为5min，温度为50℃；

步骤三四：将进行电沉积后的钛合金坯料叠放，待焊表面相对放置形成待焊组件；

步骤四：钛合金坯料扩散连接；将步骤三中经电沉积表面纳米化后的钛合金坯料放入模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散链接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接；

所述步骤四中钛合金坯料进行真空扩散连接的焊接工艺参数为：焊接温度750℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。

2.根据权利要求1中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤一中钛合金坯料待焊表面依次在240目、400目、800目、1500目及

2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污。

3.根据权利要求2中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤二中依次使用配比为NaOH：Na2CO3：H2O＝4:3:13的碱洗溶液与配比为5％HF+10％HNO3+H2O的酸洗溶液进行碱洗与酸洗以去除待焊表面的氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，随后放入无水乙醇中进行保存。

4.根据权利要求3中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤二中碱洗时间为10min，酸洗时间为10min。

5.根据权利要求4中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤三中电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液，主盐采用氨基磺酸盐。

6.根据权利要求5中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤三中电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液，主盐采用氨基磺酸钴。

7.根据权利要求6中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤三三中钛合金坯料表面电沉积的沉积层厚度为5‑10μm。

8.根据权利要求7中所述的电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，其特征在于：所述步骤三三中钛合金坯料表面电沉积的沉积层中晶粒尺寸为30‑50nm。

说明书

电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法

技术领域

[0001] 本发明属于钛合金低温扩散连接技术领域，具体涉及电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法。

背景技术

[0002] 钛合金多层结构件作为一种轻质多功能结构，不仅可以满足结构件轻量化的要求，还可以为结构件功能化提供足够的空间，现已广泛应用于制造高超音速飞行器蒙皮和发动机重要组件，被认为是最具有前景的先进轻质超强韧材料，是航空航天用结构材料的重要发展方向。

[0003] 钛合金扩散连接的传统工艺温度为920℃，在此温度下进行扩散连接，由于其长时间的加热、保温与降温，扩散连接后的板材往往较原始板材在力学性能方面有一定损失，特别是对超塑成形/扩散连接复合工艺制得的多层结构件而言，其单层的力学性能较原始板材损失较大。由于其扩散连接温度的要求，往往需要在较高真空度下进行，这为制造大尺寸的多层结构件带来了极高的设备要求，同时较高的扩散连接温度也带来了高能耗及生产周期长等一系列问题。

发明内容

[0004] 本发明为了解决现有技术在对钛合金进行扩散连接时由于其长时间的加热、保温与降温，扩散连接后的板材往往较原始板材在力学性能方面有一定损失的问题，以及较高的扩散连接温度也带来了高能耗及生产周期长的问题，进而提供一种电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法；

[0005] 电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

[0006] 步骤一：钛合金坯料表面机械处理：用砂纸打磨钛合金坯料待焊表面；

[0007] 步骤二：钛合金坯料表面化学处理：将步骤一中利用砂纸打磨好的钛合金坯料依次进行碱洗、酸洗，以去除表面的油污、杂质和氧化膜；

[0008] 步骤三：钛合金坯料表面电沉积处理：将步骤二中经过化学处理的钛合金坯料放入电解池中进行电沉积表面纳米化处理，电沉积时所用的电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液；

[0009] 步骤四：钛合金坯料扩散连接；将步骤三中经电沉积表面纳米化后的钛合金坯料放入模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散链接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接；

[0010] 进一步地，所述步骤一中钛合金坯料待焊表面依次在240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污；

[0011] 进一步地，所述步骤二中依次使用配比为NaOH：Na2CO3：H2O＝4:3:13的碱洗溶液与配比为5％HF+10％HNO3+H2O的酸洗溶液进行碱洗与酸洗以去除待焊表面的氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，随后放入无水乙醇中进行保存；

[0012] 进一步地，所述步骤二中碱洗时间为10min，酸洗时间为10min；

[0013] 进一步地，所述步骤三中电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液，主盐采用氨基磺酸钴；

[0014] 进一步地，所述步骤三中电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液，主盐采用氨基磺酸盐；

[0015] 进一步地，所述步骤三中钛合金坯料表面电沉积处理的具体方法如下：

[0016] 步骤三一：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的钛合金坯料从无水乙醇中取出经去离子水清洗去除残留乙醇；

[0017] 步骤三二：将步骤三一中经过清洗的钛合金坯料冷风吹干后迅速转入装有Ni‑Co主盐溶液的电解池中；

[0018] 步骤三三：采用电流密度为2A/dm2，以50ms为周期，通断比为3:2的方形波、单脉冲方式进行钛合金坯料表面电沉积处理，电沉积时间为5min，温度为50℃；

[0019] 步骤三四：将进行电沉积后的钛合金坯料叠放，待焊表面相对放置形成待焊组件；

[0020] 进一步地，所述步骤三三中钛合金坯料表面电沉积的沉积层中晶粒尺寸为30‑50nm；

[0021] 进一步地，所述步骤三三中钛合金坯料表面电沉积的沉积层厚度为5‑10μm；

[0022] 进一步地，所述步骤四中钛合金坯料进行真空扩散连接的焊接工艺参数为：焊接温度750℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。

[0023] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

[0024] 本发明提供的一种基于钛合金表面纳米化的钛合金低温扩散连接工艺。采用电沉积纳米晶镀层来实现钛合金表面纳米化，以增加钛合金的扩散连接过程中的原子扩散通道和合金表面的抗氧化腐蚀能力，来实现在较低温度较低真空度下进行扩散连接获得满足使用需求的扩散连接接头强度，为大尺寸零件在低温低真空条件下的扩散连接提供了有效参考；

[0025] 本发明采用Ni‑Co主盐溶液进行电沉积，主盐采用氨基磺酸盐，这是由于氨基磺酸盐电沉积液与硫酸盐和氯化盐相比，具有极化大、沉积速度快、内应力小、合金沉积层的硬度高等特点。电沉积纯Ni纳米晶镀层的热稳定性较差，在750℃保温会迅速长大，Co元素的加入会在一定程度上提高Ni纳米晶镀层的热稳定性，使其在钛合金扩散连接过程中发挥的晶粒尺寸更加稳定，作为短程扩散通道的提供者存在更长的时间。

附图说明

[0026] 图1为本发明中钛合金双层结构件示意图；

[0027] 图2为纯Ni纳米晶镀层与Ni‑Co纳米晶镀层在800℃热处理1h后的金相组织(a为纯Ni纳米晶镀层，b为Ni‑Co纳米晶镀层)；

[0028] 图3为以Ni‑Co纳米晶镀层为中间层进行扩散连接的TC4钛合金焊缝组织。

具体实施方式

[0029] 具体实施方式一：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式提供电沉积Ni‑Co纳米晶层降低钛合金扩散连接温度的工艺方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

[0030] 步骤一：钛合金坯料表面机械处理：用砂纸打磨钛合金坯料待焊表面；

[0031] 步骤二：钛合金坯料表面化学处理：将步骤一中利用砂纸打磨好的钛合金坯料依次进行碱洗、酸洗，以去除表面的油污、杂质和氧化膜；

[0032] 步骤三：钛合金坯料表面电沉积处理：将步骤二中经过化学处理的钛合金坯料放入电解池中进行电沉积表面纳米化处理，电沉积时所用的电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液；

[0033] 步骤四：钛合金坯料扩散连接；将步骤三中经电沉积表面纳米化后的钛合金坯料放入模具中，开启真空系统，使得扩散连接过程处于低氧压状态，而后开启加热系统，使得模具与钛合金板材同时升温至扩散链接温度后，通过液压系统加压，进行一定时间的保温保压，完成扩散连接。

[0034] 本实施方式中，采用Ni‑Co主盐溶液进行电沉积，主盐采用氨基磺酸盐，这是由于氨基磺酸盐电沉积液与硫酸盐和氯化盐相比，具有极化大、沉积速度快、内应力小、合金沉积层的硬度高等特点。电沉积纯Ni纳米晶镀层的热稳定性较差，在750℃保温会迅速长大，Co元素的加入会在一定程度上提高Ni纳米晶镀层的热稳定性，使其在钛合金扩散连接过程中发挥的晶粒尺寸更加稳定，作为短程扩散通道的提供者存在更长的时间，经研究发现，在主盐溶液中加入20g/L的氨基磺酸钴，可以显著细化晶粒，并提高电沉积Ni‑Co纳米晶镀层的热稳定性。

[0035] 具体实施方式二：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中钛合金坯料待焊表面依次在240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

[0036] 具体实施方式三：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的步骤二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中依次使用配比为NaOH：Na2CO3：H2O＝4:3:13的碱洗溶液与配比为5％HF+10％HNO3+H2O的酸洗溶液进行碱洗与酸洗以去除待焊表面的氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，随后放入无水乙醇中进行保存。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

[0037] 具体实施方式四：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中碱洗时间为10min，酸洗时间为10min。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。

[0038] 具体实施方式五：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液，主盐采用氨基磺酸盐。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。

[0039] 具体实施方式六：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中在对钛合金进行表面机械研磨处理时，所述步骤三中电沉积镀液为Ni‑Co主盐溶液，主盐采用氨基磺酸钴。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

[0040] 具体实施方式七：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中钛合金坯料表面电沉积处理的具体方法如下：

[0041] 步骤三一：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的钛合金坯料从无水乙醇中取出经去离子水清洗去除残留乙醇；

[0042] 步骤三二：将步骤三一中经过清洗的钛合金坯料冷风吹干后迅速转入装有Ni‑Co主盐溶液的电解池中；

[0043] 步骤三三：采用电流密度为2A/dm2，以50ms为周期，通断比为3:2的方形波、单脉冲方式进行钛合金坯料表面电沉积处理，电沉积时间为5min，温度为50℃；

[0044] 步骤三四：将进行电沉积后的钛合金坯料叠放，待焊表面相对放置形成待焊组件。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。

[0045] 本实施方式中，电沉积时间采用短时间电沉积时间，使其沉积层厚度在5‑10μm，这样做的目的是使电沉积Ni‑Co纳米晶镀层在扩散连接过程中尽量充分的扩散，减少Ni‑Co纳米晶镀层在界面上的存在厚度同时减少Ni与Ti形成过多的脆性的金属间化合物，以提高焊接接头的强度。本方法所采用的电沉积实现表面纳米化的过程，无须将电沉积所制得的镀膜从阴极板材上揭下，电沉积对阴极板材形状无特殊要求。

[0046] 具体实施方式八：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三三中钛合金坯料表面电沉积的沉积层厚度为5‑10μm。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

[0047] 具体实施方式九：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三三中钛合金坯料表面电沉积的沉积层中晶粒尺寸为30‑50nm。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

[0048] 具体实施方式十：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中钛合金坯料进行真空扩散连接的焊接工艺参数为：焊接温度750℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。其它组成及连接方式与具体实施方式九相同。

[0049] 本发明已以较佳实施案例揭示如下，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

[0050] 实施例

[0051] 现以TC4钛合金板材的扩散连接过程为案例进行说明本申请提出的一种表面机械研磨处理降低钛合金扩散连接温度的方法，具体实施方法如下：

[0052] 步骤一：TC4钛合金待焊表面机械处理：对TC4钛合金板材待焊表面依次在240目、400目、800目、1500目及2000目的水砂纸上进行机械打磨并进行抛光处理，随后置于无水乙醇中进行超声清洗，去除钛合金板材表面的油污；

[0053] 步骤二：TC4钛合金待焊表面化学处理：将上述处理后的TC4钛合金板材待焊面依次使用NaOH+Na2CO3+H2O溶液与HF+HNO3+H2O溶液进行碱洗与酸洗以去除表面氧化膜，清洗时间各为10min，随后取出钛合金板材放入去离子水中迅速清洗以去除残留残留酸液，放入无水乙醇中进行保存；

[0054] 步骤三：TC4钛合金待焊表面表面电沉积处理：

[0055] 步骤三一：将步骤二中经过碱洗和酸洗后的钛合金坯料从无水乙醇中取出经去离子水清洗去除残留乙醇；

[0056] 步骤三二：将步骤三一中经过清洗的钛合金坯料冷风吹干后迅速转入装有Ni‑Co主盐溶液的电解池中；

[0057] 步骤三三：采用电流密度为2A/dm2，以50ms为周期，通断比为3:2的方形波、单脉冲方式进行钛合金坯料表面电沉积处理，电沉积时间为5min，温度为50℃，沉积层厚度为7μm；

[0058] 步骤三四：将进行电沉积后的钛合金坯料叠放，待焊表面相对放置形成待焊组件。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同；

[0059] 步骤四：对经电沉积Ni‑Co纳米晶镀膜的TC4钛合金进行真空扩散连接，焊接工艺参数为：焊接温度750℃，焊接压力为3MPa，保温保压时间为1h。

[0060] 经上述步骤实现TC4钛合金在750℃下的扩散连接，焊接接头焊合率达到95％以上，减薄率不足3％，焊接接头剪切强度为550MPa；

[0061] 本实施案例中经过表面电沉积处理的TC4钛合金在800℃‑1h的扩散连接焊缝的质量要优于未经过表面电沉积处理的TC4钛合金在800℃‑1h的扩散连接焊缝的质量，焊接效果更好，其焊缝连接处的强度有所增强，并且焊接后的钛合金板材的力学性能更优。