專利名稱：Ti－Al金屬間化合物合金過渡液相擴(kuò)散焊復(fù)合連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料的連接方法，具體地說是Ti-Al金屬間化合物合金過渡液相擴(kuò)散焊復(fù)合連接方法。
背景技術(shù)：
Ti3Al金屬間化合物是一種新型金屬基高溫合金，與普通鈦合金相比，其密度(3.8～4.2g/cm3)相當(dāng)，而使用溫度更高。普通鈦合金的工作溫度迄今仍限于600℃以下，Ti3Al金屬間化合物工作溫度在600～750℃，甚至更高，而且還具有高溫比強(qiáng)度、比模量高、抗高溫氧化及高溫蠕變等優(yōu)點(diǎn)，與鎳基高溫合金相比可減重40％左右。因此，近幾年來得到了快速發(fā)展，并已進(jìn)入工程化應(yīng)用，廣泛地用于制造航空航天飛行器中承受較高溫度的結(jié)構(gòu)件。
作為耐高溫的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，Ti3Al基合金在應(yīng)用過程中也會(huì)遇到與其同種或其它材料(如高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、鈦合金、鎳基合金等)的連接，以獲得實(shí)際使用中所需要的各種形狀結(jié)構(gòu)件，尤其是航空、航天、汽車、能源等領(lǐng)域，因其對(duì)Ti3Al基合金結(jié)構(gòu)件的需要和特殊要求，更是需要新型復(fù)合連接技術(shù)，以獲得高性能連接接頭滿足設(shè)計(jì)要求。
國外開展Ti3Al基合金連接研究的工作相對(duì)較早且較深入，所采用的連接方法主要有(1)熔化焊-主要包括電子束焊、激光焊、氬弧焊、閃光對(duì)焊和電容放電加熱熔化電阻焊等；(2)固態(tài)連接-包括摩擦焊、直接對(duì)接固態(tài)擴(kuò)散連接、超塑成型與擴(kuò)散連接(SPF/DB)組合工藝及電容放電加熱固態(tài)擴(kuò)散連接等。
根據(jù)已有的國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，Ti3Al基合金不存在本質(zhì)上不可連接的問題，其連接技術(shù)的關(guān)鍵是(1)找到某種方法及其相應(yīng)的工藝，使連接件室溫下仍能保持一定的塑性，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和尺寸大的構(gòu)件確保連接后不出現(xiàn)裂紋，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性；(2)接頭室溫強(qiáng)度，特別是高溫抗拉強(qiáng)度和高溫抗蠕變強(qiáng)度接近母材的強(qiáng)度。
熔化焊存在的主要問題是焊縫和熱影響區(qū)(特別是熔合線附近區(qū)域)容易出現(xiàn)脆性組織甚至出現(xiàn)裂紋，同時(shí)，非真空熔焊工藝都不可避免地在合金中引入間隙元素(如氧、氮和氫等)，這種元素一般具有有害作用。
電子束焊雖然焊接了渦輪殼體組件等結(jié)構(gòu)件，但由于受真空室的限制，在焊接法蘭環(huán)縫等不規(guī)則曲線焊縫時(shí)，難以自動(dòng)進(jìn)行軌跡行走，只能采用人工調(diào)節(jié)分段擬合，使得電子束焊在較復(fù)雜焊縫軌跡產(chǎn)品上的推廣應(yīng)用受到限制。
傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊，采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理的方法，接頭塑性＜5％，即使調(diào)整冷卻速度塑性相對(duì)有所改善，但實(shí)際中也難以控制，因此工藝上進(jìn)一步改進(jìn)提高塑性的余地不大。
固態(tài)擴(kuò)散焊接是目前較理想的連接方法，但因需要施加大的連接壓力，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜特別是具有曲面和大尺寸的構(gòu)件，操作困難，同時(shí)對(duì)連接面的預(yù)處理要求高，結(jié)構(gòu)尺寸精度很難保證，工藝復(fù)雜。
相對(duì)而言，特種釬焊與擴(kuò)散焊技術(shù)具有如下主要特點(diǎn)通過設(shè)計(jì)釬料成分可控制釬焊溫度、對(duì)待焊面預(yù)處理的要求不高、小尺寸構(gòu)件可批量焊接，尤其適合于復(fù)雜曲面的焊接、不需要施加大的連接壓力、構(gòu)件變形和殘余應(yīng)力小等。
目前，國內(nèi)外在Ti3Al基合金本身及其與其它材料的釬焊技術(shù)研究方面已進(jìn)行一定的研究，并取得了較好的成果我國的潘暉等人為提高Ti3Al基合金釬焊接頭的性能，研究了成分為Ti-22.4Al-21.5Nb-2.1Mo的Ti3Al合金粉末對(duì)Ti-21.5Cu-21.5Ni釬料組織的影響，但未采用混合釬料實(shí)際釬焊Ti3Al基合金；1998年報(bào)導(dǎo)美國航空航天局Langley研究中心的R.K.Bird等人采用過渡液相擴(kuò)散連接(TLPB)方法系統(tǒng)地研究了Ti-14Al-21Nb(wt％)合金與Ti-14Al-21Nb(wt％)合金、Ti-14Al-21Nb(wt％)合金與三種鈦合金(包括α+β型鈦合金Ti-3Al-2.5V和Ti-6Al-4V，β型鈦合金Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)的連接，該文獻(xiàn)并未介紹兩者的具體成分和其相應(yīng)的連接工藝；1997年報(bào)導(dǎo)美國橡樹國家實(shí)驗(yàn)室的C.H.Cadden等人采用三種成分五種形式的Ti-Cu-Ni合金釬料擴(kuò)散釬焊Ti-13.4Al-21.2Nb(wt％)合金，釬焊工藝為982℃(加熱升溫速度為5℃/min)×60min×0.4MPa(W塊加壓)×真空(至少1×10-5Torr)×冷速40℃/min(982℃到800℃)。
所有的研究資料表明到目前為止Ti3Al基合金的釬焊與擴(kuò)散焊技術(shù)尚存在以下不足(1)已有的研究都是針對(duì)較低Nb含量的Ti3Al基合金進(jìn)行，對(duì)于具有更高力學(xué)性能的高Nb含量的Ti3Al基合金，以及O相為主的雙相合金等缺乏研究；(2)接頭的室溫強(qiáng)度548MPa，高溫強(qiáng)度485MPa(650℃)，塑性低于母材。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Ti-Al金屬間化合物合金過渡液相擴(kuò)散焊連接的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下步驟(1)采用Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金作為連接材料，將合金制備成非晶態(tài)或以非晶態(tài)組織為主的快速凝固的箔帶，剪成與接頭相匹配的形式，用丙酮清洗干凈；(2)將Ti3Al合金待焊件除油酸洗，表面清洗干凈；(3)將非晶態(tài)或以非晶態(tài)組織為主的快速凝固的Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金箔帶清洗干凈置于待焊面，用儲(chǔ)能點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊定位，表面無毛刺、無搭接，接頭為對(duì)接形式，然后裝入焊接夾具，夾緊后放入真空爐；(4)在溫度為1000±50℃條件下，保溫30～90min，壓塊加壓0.4～1MPa，隨后在920±50℃保溫90～360min，之后隨爐冷卻，加熱過程中真空度不低于2×10-2MPa。
優(yōu)選的工藝參數(shù)為
在溫度為980±10℃條件下，保溫30min，后降至900℃保溫90min。
采用本發(fā)明焊接Ti3Al合金，接頭室溫及高溫強(qiáng)度均可達(dá)到母材強(qiáng)度的80％以上，室溫下可獲得與母材同等塑性，接頭組織均勻與母材接近。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，所述的實(shí)施例僅用于描述本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
實(shí)施例1將Ti3Al基合金TAC-1B加工成Φ16×30mm圓棒，表面經(jīng)3％HF，10％HNO3酸洗液清洗后烘干，將Ti-13Zr-21Cu-9Ni按重量百分比熔煉成鑄錠，制備成非晶態(tài)或以非晶態(tài)組織為主的快速凝固箔帶，剪成與接頭相匹配的形式，用丙酮清洗干凈。
用儲(chǔ)能點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊定位，將合金箔帶清洗干凈置于待焊面點(diǎn)焊定位，焊點(diǎn)表面無毛刺、無搭接，接頭為對(duì)接形式，然后裝入焊接夾具，裝配定位，用壓快加壓約0.4～1MPa，裝入真空爐。
連接工藝為980℃保溫30min，然后降至900℃保溫6h，隨爐冷卻，加熱過程中真空度不低于1×10-2MPa，焊后將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。采用上述連接工藝接頭強(qiáng)度見表1(其中σb為抗拉強(qiáng)度，σ0.2為屈服強(qiáng)度，δ為延伸率，Ψ為斷面收縮率)表1

實(shí)施例2將Ti3Al基合金TAC-1B加工成Φ16×30mm圓棒，表面經(jīng)3％HF，10％HNO3酸洗液清洗后烘干，將Ti-23Cu-15Ni按重量百分比熔煉成鑄錠，制備成非晶態(tài)或以非晶態(tài)組織為主的快速凝固箔帶，剪成與接頭相匹配的形式，用丙酮清洗干凈。
用儲(chǔ)能點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊定位，將合金箔帶清洗干凈置于待焊面點(diǎn)焊定位，焊點(diǎn)表面無毛刺、無搭接，接頭為對(duì)接形式，然后裝入焊接夾具，裝配定位，用壓快加壓約0.4～1MPa，裝入真空爐。
連接工藝為980℃保溫30min，然后降至900℃保溫3h，隨爐冷卻，加熱過程中真空度不低于1×10-2MPa，焊后將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。采用上述連接工藝接頭強(qiáng)度見表2(其中σb為抗拉強(qiáng)度，σ0.2為屈服強(qiáng)度，δ為延伸率，Ψ為斷面收縮率)表2

權(quán)利要求
1.Ti-Al金屬間化合物合金過渡液相擴(kuò)散焊復(fù)合連接方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金作為連接材料，將合金制備成非晶態(tài)或以非晶態(tài)組織為主的快速凝固的箔帶，剪成與接頭相匹配的形式，用丙酮清洗干凈；(2)將Ti3Al合金待焊件除油酸洗，表面清洗干凈；(3)將非晶態(tài)或以非晶態(tài)組織為主的快速凝固的Ti-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu-Ni合金箔帶清洗干凈置于待焊面，用儲(chǔ)能點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊定位，表面無毛刺、無搭接，接頭為對(duì)接形式，然后裝入焊接夾具，夾緊后放入真空爐；(4)在溫度為1000±50℃條件下，保溫30～90min，壓塊加壓0.4～1MPa，隨后在920±50℃保溫90～360min，之后隨爐冷卻，加熱過程中真空度不低于2×10-2MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti-Al金屬間化合物合金過渡液相擴(kuò)散焊復(fù)合連接方法，其特征在于在溫度為980±10℃條件下，保溫30min，后降至900℃保溫90min。
全文摘要
一種Ti－Al金屬間化合物合金過渡液相擴(kuò)散焊復(fù)合連接方法，利用該方法焊接Ti
文檔編號(hào)B23K20/24GK1730224SQ20051009858
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者寧立芹, 梁德彬, 李海剛, 毛建英 申請(qǐng)人:中國航天科技集團(tuán)公司第一研究院第七○三研究所