一種添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法，屬于脆性材料焊接領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空航天工業(yè)中，結(jié)構(gòu)服役條件惡劣，常工作于高溫、耐熱、腐蝕性、低溫等嚴酷環(huán)境中，因而對材料的性能有較高的要求。此外，對結(jié)構(gòu)重量的嚴格的限定，對材料的輕質(zhì)化提出了更高的要求。因此，輕質(zhì)、高強、比模量高、比強度高的新型材料TiAl在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應用，但是，該種材料由于其組織特點，一般呈現(xiàn)出脆性的特征，導致其焊接過程容易產(chǎn)生裂紋，極大地限制其推廣應用。
[0003]在真空環(huán)境下進行的電子束焊接過程，排除了空氣中有害雜質(zhì)對焊縫的危害，凈化焊縫，是一種獲得高質(zhì)量焊縫的方法。同時，電子束束流能量密度高，對材料具有很高的穿透能力，單次焊接可獲得大熔深，減少了焊接的次數(shù)，提高焊接過程生產(chǎn)效率。而且，由于電子束束流的集中的特點，電子束熱源所造成的熱影響區(qū)要明顯先于其他焊接方法的熱影響區(qū)大小，熱過程的集中對控制結(jié)構(gòu)的變形有著很大的優(yōu)勢，因此電子束焊接結(jié)構(gòu)常常作為最終加工步驟。此外，由于電子束焊接過程可對束斑進行精確控制，可實現(xiàn)精密焊縫的焊接，而且由于電子束的束流的工作距離可調(diào)，對于常規(guī)焊接方法所難以達到的位置，電子束焊接也可輕易進行。因此，電子束焊接是一種具有極大工業(yè)應用前景的焊接方法。但是由于電子束焊接過程的冶金特點，對焊縫位置進行再熔化過程中，焊縫急速冷卻的過程使得焊接接頭位置的組織變化經(jīng)歷了完全非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，焊縫區(qū)域的組織特點發(fā)生明顯的變化。尤其是對于脆性材料TiAl，焊接熔化-凝固過程后，焊縫中的組織由具有良好塑性的組織變成脆性的過飽和Ti3Al相，過飽和相具有較大的組織內(nèi)應力，組織具有很大的脆性，極大地降低了接頭的塑性，開裂傾向增大。此外，在焊接過程中，由于電子束焊接能量的集中，導致了冷卻速度明顯大于其他焊接方法，冷卻速度的增大會增大焊縫位置的殘余拉應力，在脆性材料的焊接過程中，殘余應力的增大將導致材料發(fā)生開裂，形成裂紋，因此在電子束焊接脆性材料的過程中，如何消除裂紋是一個必須研宄的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法，該方法通過預置合金中間層，并選擇合理的中間層成分，中間層制備方式，以及電子束焊接工藝參數(shù)，獲得高強度、無裂紋TiAl/TC4電子束焊接接頭。
[0005]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]一種添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法，包括如下步驟:
[0007](I)、將I?3層Nb箔片和I?3層Ni箔片依次疊放排列后，通過點焊定位，形成中間層，所述每層Nb箔片的厚度為80?120 μ m，每層Ni箔片的厚度為80?120 ym ;
[0008](2)、將中間層點焊至TC4母材焊接面或TiAl母材焊接面上，并使中間層位于TC4母材與TiAl母材之間，通過夾具使TC4母材與TiAl母材緊密對接并固定，形成待焊接工件；
[0009](3)、將待焊接工件放入電子束焊機的真空室中，開始抽真空，當真空度達到4X 10_2Pa?7X 10_2Pa時，調(diào)節(jié)電子束焊接工藝參數(shù)，首先采用小束流對中間層金屬進行熔合，所述電子束焊接工藝參數(shù)為:加速電壓50?60kV，聚焦電流1500?1700mA，焊接束流5?20mA，焊接速度為500?1 SOOmm/mi η ；
[0010](4)、之后調(diào)節(jié)電子束焊接工藝參數(shù)，對待焊接工件進行電子束焊接；
[0011](5)、焊接完成后，在真空室中保溫3?Smin后放氣，取出工件。
[0012]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，步驟(I)中Ni箔片為I層，Nb箔片為I?2層。
[0013]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，Ni箔片和Nb箔片的寬度為焊縫的厚度，箔片的制備采用線切割方式進行切割。
[0014]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，步驟(2)中Nb箔片放置在靠近TiAl母材一側(cè)，Ni箔片放置在靠近TC4母材一側(cè)。
[0015]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，TC4母材與TiAl母材為板材或環(huán)形件，板材焊縫厚度為Imm?5mm，環(huán)形件焊縫厚度為Imm?5mm。
[0016]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，Ni箔片和Nb箔片的厚度均為100 μπι。
[0017]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，步驟⑷中對待焊接工件進行電子束焊接的工藝參數(shù)為:加速電壓50?60kV，聚焦電流1500?1700mA，焊接束流5?50mA，焊接速度為500?1500mm/min。
[0018]在上述添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法中，步驟⑷中對待焊接工件進行電子束焊接時，電子束束斑向TC4 一側(cè)偏移，與焊縫中心的偏移距離為0.2?0.5mm。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0020](I)、本發(fā)明針對傳統(tǒng)TiAl/TC4焊接的接頭裂紋大，焊接強度低的缺陷，首次在TiAl/TC4電子束焊接焊縫位置，預置Ni和Nb組成的中間金屬層，通過選擇合理的中間層成分、中間層排布方式、中間層厚度以及電子束焊接工藝參數(shù)，獲得高強度、無裂紋TiAl/TC4電子束焊接接頭；
[0021](2)、本發(fā)明采用金屬箔片相疊加的方式制備中間層。中間層基本元素為Ni和Nb，采用100 μπι的Ni箔片和Nb箔片按指定比例疊加，利用箔片易熔的特點，在焊接過程中可與熔化的母材充分熔合，優(yōu)化焊縫的力學性能，提高接頭抗裂紋能力；
[0022](3)、本發(fā)明首先采用小電子束流對中間層進行熔合，保證中間層在焊接過程中位置的固定，然后再進行電子束焊接，本發(fā)明對小電子束流焊接與電子束流的焊接的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，可有效地控制TiAl/TC4電子束焊接過程中裂紋的產(chǎn)生，提高接頭強度，試驗表明本發(fā)明焊接接頭的強度最高可達到TiAl母材的80%，接頭無裂紋；
[0023](4)、本發(fā)明對待焊接工件進行電子束焊接時，電子束束斑向TC4 一側(cè)偏移，與焊縫中心的偏移距離為O?0.5mm，優(yōu)選0.2?0.5mm，試驗表明向TC4 一側(cè)偏移可以增大TC4的熔化量，促進中間層金屬與焊縫的熔合，提高結(jié)合強度；
[0024](5)、本發(fā)明焊接工藝流程少，操作簡單，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例1中TiAl/TC4焊縫外觀圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實施例2中TiAl/TC4焊縫SEM照片。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0028]本發(fā)明添加合金中間層的TiAl/TC4電子束熔釬焊方法，具體包括如下步驟:
[0029](I)、對待焊TC4母材與TiAl母材進行焊前清理，采用物理方法和化學方法將材料表面油污和氧化層去除；
[0030](2)、按要求制備中間層合金，中間層合金元素為Nb、Ni，按照設計選擇合適的Nb箔片和Ni箔片層數(shù)，本發(fā)明將I?3層Nb箔片和I?3層Ni箔片依次疊放排列后(當Nb箔片與Ni箔片均為多層時，先將多層Nb箔片疊放后，再與多層Ni箔片疊放)，采用點焊機進行點焊定位，形成中間層，每層Nb箔片的厚度為80?120 μ m，每層Ni箔片的厚度為80?120 μ m，優(yōu)選Ni箔片為I層，Nb箔片為I?2層。Ni箔片和Nb箔片的寬度為焊縫的厚度，箔片的制備采用線切割方式進行切割。
[0031](3)、將中間層點焊至TC4母材焊接面或TiAl母材焊接面上，并使中間層位于TC4母材與TiAl母材之間，通過夾具進行固定，使TC4母材與TiAl母材緊密對接，形成待焊接工件。其中Nb箔片放置在靠近TiAl母材一側(cè)，Ni箔片放置在靠近TC4母材一側(cè)。
[0032](4)、將待焊接工件放入電子束焊機的真空室中，開始抽真空，當真空度達到4X 10_2Pa?7X 10_2Pa時，調(diào)節(jié)電子束焊接工藝參數(shù)，首先采用小束流對中間層金屬進行熔合，電子束焊接工藝參數(shù)為:加速電壓50?60kV，聚焦電流1500?1700mA，焊接束流5?20mA，焊接速度為 500 ?1500mm/min ；
[0033](5)、之后調(diào)節(jié)電子束焊接工藝參數(shù)，對待焊接工件進行電子束焊接；電子束焊接的工藝參數(shù)為:加速電壓50?60kV，聚焦電流1500?1700mA，焊接束流5?50mA，焊接速度為500?1500mm/min。對待焊接工件進行電子束焊接時，電子束束斑可對準焊縫中心，也可向TC4 一側(cè)偏移，優(yōu)選電子束束斑向TC4 一側(cè)偏移，并與焊縫中心的偏移距離為0.2?0.5mmο
[0034](6)、焊接完成后，在真空室中保溫3?Smin后放氣，取出工件。