CN102229018A - 一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法。本发明中通过焊前热处理改善被焊TiAl基合金本身的塑性，从而提高TiAl基合金的可焊性，焊前选择的热处理温度为1310～1350℃。制备Ti-Al-Nb系填充材料，Ti-Al-Nb系填充材料的具体成分为Al40～50、Nb0～10、V0～3、Mo0～2、Cr0～4、Ti余量。采用感应线圈对焊接部位预热，预热温度500～800℃，为了避免TiAl基合金氧化和吸氢脆化等问题，预热及焊接操作均在充氩箱内完成，焊接完成后，对焊件进行退火去应力处理，退火温度900℃。与电子束焊、激光焊等方法相比相比，该发明提供的焊接方法操作简便，成本低，便于推广，可用于对TiAl基合金的铸件或锻件进行缺陷的补焊，TiAl基合金自身的高效连接。

Description

一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法。
背景技术
TiAl金属间化合物合金密度仅3.8-4.0g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10％；其室温弹性模量高达160-170GPa，比钛合金高30％，而且弹性模量在750℃高温还能保持150GPa，与GH4169高温合金相当；TiAl基合金还具有高比强度，室温-800℃强度保持率达80％，高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760℃-800℃长期工作，是非常具有发展前途的轻质耐高温结构材料。从上世纪八十年代末至今，国外已公开报道了多达十几个TiAl零部件完成了地面装机试验，试验结果非常理想。
TiAl基合金的推广应用必然涉及到连接技术，目前连接TiAl基合金的方法主要包括：弧焊、电子束焊、激光焊、钎焊、扩散焊和摩擦焊等。其中，弧焊连接作为一种最通用的焊接方法因成本低、操作简单、生产效率高，在工程修复中应用广泛。目前，国外研究学者关于TiAl基合金弧焊的焊接性研究主要集中在最基本的可焊性研究，尤其是通过各种方法避免焊接接头产生裂纹。文献《Analysis of Gamma Titanium AluminideWelds Produced by Gas Tungsten Arc Welding》(M.F.ARENAS，V.L.ACOFF.Welding Journal，2003，82(5)：p110-115)采用GTA焊接铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb，研究发现通过控制焊接参数控制α2相的含量对于焊缝的机械性能及室温延性非常重要。文献《Evolution of the weld heat-affected zonemicrostructure in a Ti-48Al-2Cr-2Nb gamma titanium aluminide》(Mallory L等.Journal of Materials Science Letters，1994(13)：p1061-1065)研究了铸态Ti-48Al-2Cr-2Nb合金钨极气体保护焊(GTAW)的焊接性，发现预热到800℃时没有产生裂纹，但是在无预热的相同条件时接头存在大量裂纹，接头强度系数无数据报道。
电子束焊与激光焊同属于熔焊方法，焊接过程存在与弧焊同样的问题——易出现焊接裂纹。文献《Development of crack-free welds in aTiAl-based alloy》(M.C.Chaturvedi等，Materials Processing Technology，2001，118：p74-78)研究了Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8TiB2焊接过程中接头约束及相转变对电子束焊接的作用。研究发现，焊接裂纹产生的频率在α相开始转变时骤降，α相完全转变时裂纹产生的频率变为零，需对电子束焊接工艺进行严格控制才能得到无裂纹的接头。文献《Fundamental study about CO2 Laser Welding of Titanium AluminideIntermetallic Compound》(Gaku Kuwahara，Shigeru Yamaguchi，KenzoNanri.First International Symposium on Laser PrecisionMicrofabrication：14-16June 2000，Omiya，Saitama，Japan)采用CO2激光器进行TiAl合金平板堆焊，激光束斑直径为0.5mm，输出功率为1.5KW，试验发现当预热温度为873K时，试验得到了无裂纹焊缝。
尽管关于获得TiAl合金无裂纹焊缝的氩弧焊研究有零星的报道，但还没有形成一整套稳定控制焊缝质量并获得高强度TiAl合金氩弧焊接头的方法。
已有的研究结果表明，TiAl基合金可以进行熔化焊，但由于γ-TiAl本身滑移系较少，位错运动和增殖困难，室温塑性低及变形能力差，焊接过程中极易出现固态裂纹。具体到TiAl基合金的弧焊技术而言，尚处于较低水平，仅局限于如何避免焊接裂纹阶段以及焊接接头的组织研究，而力学性能方面的报道鲜见。目前尚缺乏适用于TiAl基合金材料氩弧焊接的实用技术。缺乏一整套稳定控制焊缝质量并获得高强度的TiAl基合金材料氩弧焊接头的方法。TiAl基合金弧焊使用的填充材料也未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有实用性，并且能够满足TiAl基合金的焊接，以及拓宽TiAl基合金的应用范围的一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法。本发明的技术解决方案是，(1)制备TiAl基合金氩弧焊用填充材料，成分原子百分比为：Al40.0～50.0、Nb0～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；
(3)在充氩箱内，采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；
(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊焊接；
(5)焊后充氩条件下对焊件进行退火热处理，热处理温度为：900±50℃。
本发明的优点是：
①本发明提出，焊前对TiAl基合金进行热处理，通过改变TiAl基合金的组织，改善被焊TiAl基合金本身的塑性，从而提高TiAl合金的可焊性。
②配合采用感应预热的方式可以有效抑制焊接裂纹，感应线圈的选择根据焊件的形状、大小灵活选择。采用感应线圈加热待焊部位的速度快、效率高，并且对于较大尺寸的焊件而言，可以只加热需要焊接的部位，减少了热输入对其他完好部位的损害，并且节约能源。感应加热在充氩箱内进行，避免常规空气加热引起的表面氧化、氢脆等问题。
③选择Ti-Al-Nb系合金作为TiAl合金焊接的填充材料，与基体材料同系，获得的接头组织均匀，与母材结合牢固，焊缝与基体之间过渡平滑。Nb元素对适当改善焊缝塑性提高焊接抗裂性有好处。
④本发明获得的接头均无裂纹，TiAl/TiAl接头的室温拉伸强度为530～550MPa，TiAl/TiAl接头的760℃高温拉伸强度为550～560MPa，接头强度系数较高，均达到了母材TiAl基合金室温和高温拉伸强度的95％左右。
具体实施方式
(1)通过以下方式制备填充材料：
①原材料配置，基体元素以0级海绵钛和钛基中间合金形式添加，合金元素Al、Nb、V、Cr以钛基、铝基中间合金或纯金属形式添加，按重量百分比配制，成分原子百分比为：Al40.0～50.0、Nb0～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
②合金熔炼，采用真空电弧熔炼或感应熔炼+真空自耗电弧熔炼法进行熔炼，为确保合金成分的均匀性，采用上述方法中的一种或多种方法至少熔炼三次，浇铸成棒或锭；
③采用线切割方法将合金棒(或锭)加工至所需尺寸并且去除表面因线切割加工引起的氧化或污染层；
(2)对TiAl基合金进行焊前热处理以改善基体材料的塑性，从而提高TiAl基合金的可焊性，焊前热处理温度为：1310～1350℃，根据待焊件的尺寸选择热处理时间，选择的时间足以使焊件整体均匀受热。
(3)焊件的焊前准备，加工待焊部位及焊点或焊缝周围区域使其光亮，无其他污染物。
(4)通过感应线圈加热的方式对待焊的TiAl基合金进行预热，预热温度达到500～800℃之间，为了避免TiAl基合金氧化和吸氢脆化等问题，预热操作均在充氩箱内完成。
(5)预热完毕后，即刻对TiAl基合金进行钨极氩弧焊接操作，TiAl基合金自身之间的焊接选用按技术方案(1)制备的Ti-Al-Nb系合金的切条作为填充材料。具体焊接工艺参数根据焊件尺寸而定，原则是使其焊透。
(6)焊接完毕，从充氩箱内取出焊接试件，随后在充氩条件下对其进行焊后退火热处理，目的是消除焊件的热应力，充氩热处理温度：900℃，时间随试件大小而定。
实施例
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
表1各实施例使用的填充材料
Figure BSA00000483689300051
TiAl基合金自身的氩弧焊接，该方法的步骤是：
(1)TiAl基合金自身焊接用填充材料的制备，TiAl基合金自身焊接用填充材料为：Ti-Al-Nb系填充材料，化学成分如表1所示，通过以下方式制备：
①原材料配置，基体元素以0级海绵钛和钛基中间合金形式添加，合金元素Al、Nb、V、Cr以钛基、铝基中间合金或纯金属形式添加，按重量百分比配制；
②熔炼合金，为确保合金成分的均匀性，反复熔炼，浇铸成棒；
③采用线切割方法将合金棒(或锭)加工成横截面为；2×2mm的方条，加工掉表面的氧化皮，使其表面光亮备用。
(2)TiAl焊接试板尺寸为90×50×2.5mm，对TiAl基材料进行焊前热处理，热处理制度如表1所示。
(3)TiAl焊接试板焊前准备，加工V型焊接坡口，钝边0.5mm，单边角度35°，去掉坡口两侧10mm范围内的氧化膜，使其光亮，焊前用丙酮擦洗；
(4)TiAl基合金自身以的焊接采用钨极氩弧焊方法，TiAl基合金自身之间的焊接选用按(1)制备的Ti-Al-Nb系合金(成分如表1所示)的切条作为填充材料，焊前用丙酮擦拭Ti-Al-Nb合金方条；
(5)通过感应线圈加热的方式对待焊的TiAl基合金试板进行预热，将S型热电偶点焊固定在被焊TiAl材料距离焊缝20mm左右的位置处，测量预热温度，通过温度记录仪监测加热温度，当预热温度达到如表1所示的预热温度时，停止加热；
(6)焊接时，根部间隙为1.0mm，焊接电流80～100A，焊接电压10～13V；
(7)焊接完毕，从充氩箱内取出焊接试板，随后在充氩条件下对其进行焊后退火热处理，热处理制度：900℃×1h。
上述实施例的TiAl/TiAl接头的室温拉伸强度为510～580MPa，TiAl/TiAl接头的760℃高温拉伸强度为530～560MPa，接头强度系数较高，均达到了母材TiAl基合金室温和高温拉伸强度的95％左右。

Claims (5)

1.一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：按以下步骤进行：
(1)制备TiAl基合金氩弧焊用填充材料，成分原子百分比为：Al40.0～50.0、Nb0～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；
(3)在充氩箱内，采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；
(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊焊接；
(5)焊后充氩条件下对焊件进行退火热处理，热处理温度为：900±50℃。
2.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其TiAl基合金氩弧焊用填充材料成分的原子百分比为：Al42.0～50.0、Nb0～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量。
3.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前感应预热，通过S型热电偶测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度。
4.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前热处理，热处理温度为1320～1340℃。
5.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前预热，预热温度为650～800℃。 
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