CN106141469A - TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦‑扩散复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦‑扩散复合焊接方法，用于解决现有摩擦‑扩散复合焊接方法接头抗拉强度低的技术问题。技术方案是首先进行TiAl合金涡轮与中间体焊接界面自清理、局部剧烈塑形变形，使两侧材料新鲜表面密切结合，实现TiAl合金涡轮与中间体材料的初步焊接；其次利用扩散焊接过程中的压力和高温，合理调节焊接界面组织结构，减少脆性相，增加固溶相，使TiAl合金涡轮与中间体的摩擦焊接界面形成的非稳定组织通过扩散和再结晶稳定化，以提高接头性能；最后对中间体和调质钢轴进行摩擦焊接，从而实现对TiAl合金涡轮与调质钢轴的有效连接，提高了TiAl合金涡轮与调质钢轴的焊接强度。

Description

TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦-扩散复合焊接方法，特别涉及一种TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法。
背景技术
TiAl合金，因其密度远小于高温合金，与镍基高温合金相比质量可减轻40％，而高温比强度高于高温合金，室温韧性又高于陶瓷材料，加之其优异的高温力学性能、抗氧化性和较好的环境抗力，因而被认为是可用于高推比航空发动机和火箭推进***高温部件的极具潜力的新型材料，特别适宜于发动机高温隔热、高温运动部件，如高压压气机叶片和低压涡轮叶片，以及废气涡轮增压器中涡轮的制造。用TiAl合金代替铸造镍基高温合金制作坦克与汽车发动机废气涡轮增压器上的增压涡轮，可使涡轮转子减重50％以上，从而提高发动机的瞬态响应性，减小发动机的功率损失。因此，TiAl合金涡轮与调质钢转轴的连接技术成为迫切解决的关键技术。
文献1“专利申请号是201110274101.4的中国发明专利”公开了一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，该方法将钎料加入铝涡轮与钢轴中间，利用电阻热使中间钎料熔化，然后施加顶锻压力，保持一段时间后将零件卸下并对零件进行去应力退火，得到涡轮与钢轴的组合部件。该发明利用电阻热进行加热连接，虽然可以使整个端面温度更均匀，焊缝强度较普通钎焊更高，但由于该方法使用钎料，在高温情况下钎料可能会融化使焊接接头的性能下降。
文献2“专利申请号是201010178555.7的中国发明专利”公开了一种钛铝合金涡轮与调质钢轴的摩擦焊接方法，该方法是在钛铝合金涡轮一侧加工回转体形状的嵌入槽，焊接过程中涡轮轴的焊接端面与钛铝合金涡轮的嵌入槽焊接面摩擦，通过控制摩擦缩短量，使得涡轮轴侧形成的飞边填充满嵌入槽。从而达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，连接件接头室温拉伸强度有所提高。
发明内容
为了克服现有摩擦-扩散复合焊接方法接头抗拉强度低的不足，本发明提供一种TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法。该方法首先利用摩擦焊接技术，进行TiAl合金涡轮与中间体材料焊接界面自清理、局部剧烈塑形变形，使两侧材料新鲜表面密切结合且不必施加大的顶锻压力，实现TiAl合金涡轮与中间体材料的初步焊接；其次利用扩散焊接过程中的压力和高温，合理调节焊接界面组织结构，减少脆性相，增加固溶相，使TiAl合金涡轮与中间体的摩擦焊接界面形成的非稳定组织通过扩散和再结晶稳定化，以提高接头性能；最后对中间体和调质钢轴进行摩擦焊接，从而实现对TiAl合金涡轮与调质钢轴的有效连接，提高了TiAl合金涡轮与调质钢轴的焊接强度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、将TiAl合金涡轮、中间体的待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤二、将TiAl合金涡轮、中间体分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上，使TiAl合金涡轮、中间体的轴心共线；
步骤三、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动中间体高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮逐渐靠近并压在高速旋转的中间体上，摩擦压力为100～200MPa，摩擦时间为5～10s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加200～400MPa的顶锻压力，保压4～6s，初步焊接完成；
步骤四、将摩擦焊接后的TiAl合金涡轮与中间体放入真空扩散焊机的真空室中；抽真空至真空度为1.0×10-5～1.0×10-2Pa；升温至820～980℃并施加30～100MPa的压力；在温度为820～980℃及压力为30～100MPa下，保温保压10～60min后卸载压力并关闭加热***；扩散焊接完成后随炉冷却至室温；
步骤五、将与TiAl合金涡轮焊接后的中间体多余部分切除；
步骤六、将中间体、调质钢轴待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤七、将焊接有中间体的TiAl合金涡轮、调质钢轴分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上；
步骤八、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动调质钢轴高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮及中间体逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴上，摩擦压力为100～200MPa,摩擦时间为5～10s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加200～400MPa的顶锻压力，保压4～6s；
步骤九、焊后缓冷并回火处理，加热温度至580～650℃，保温时间为0.5～2h，焊接完成。
所述中间体的材料是高温合金。
所述调质钢轴材料是42CrMo、40Cr或35CrMo的任一种。
本发明的有益效果是：该方法首先利用摩擦焊接技术，进行TiAl合金涡轮与中间体材料焊接界面自清理、局部剧烈塑形变形，使两侧材料新鲜表面密切结合且不必施加大的顶锻压力，实现TiAl合金涡轮与中间体材料的初步焊接；其次利用扩散焊接过程中的压力和高温，合理调节焊接界面组织结构，减少脆性相，增加固溶相，使TiAl合金涡轮与中间体的摩擦焊接界面形成的非稳定组织通过扩散和再结晶稳定化，以提高接头性能；最后对中间体和调质钢轴进行摩擦焊接，从而实现对TiAl合金涡轮与调质钢轴的有效连接，提高了TiAl合金涡轮与调质钢轴的焊接强度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例1中TiAl合金涡轮与调质钢轴的焊接结构示意图。
图2是本发明方法实施例2中TiAl合金涡轮与调质钢轴的焊接结构示意图。
图中，1-TiAl合金涡轮，2-中间体，3-调质钢轴。
具体实施方式
实施例1：参照图1，本发明TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法具体步骤如下：
步骤1.将TiAl合金涡轮1、中间体2的待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤2.将TiAl合金涡轮1、中间体2分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上，使TiAl合金涡轮1、中间体2的轴心共线；
步骤3.摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动中间体2高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮1逐渐靠近并压在高速旋转的中间体2上，摩擦压力为150MPa，摩擦时间为7s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加300MPa的顶锻压力，保压5s，初步焊接完成；
步骤4.将摩擦焊接后的TiAl合金涡轮1与中间体2放入真空扩散焊机的真空室中；抽真空至真空度为1.0×10-3Pa；升温至860℃并施加50MPa的压力；在温度为860℃及压力为50MPa下，保温保压20min后卸载压力并关闭加热***；扩散焊接完成后随炉冷却至室温；
步骤5.将与TiAl合金涡轮1焊接后的中间体2多余部分切除，保留厚度3mm；
步骤6.将中间体2、调质钢轴3待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤7.将焊接有中间体2的TiAl合金涡轮1、调质钢轴3分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上；
步骤8.摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动调质钢轴3高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮1及中间体2逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴3上，摩擦压力为150MPa，摩擦时间为5s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加300MPa的顶锻压力，保压5s；
步骤9.焊后缓冷并回火处理，加热温度至650℃，保温时间为0.5h，焊接完成。
所述中间体2的材料是一种高温合金。调质钢轴材料是42CrMo、40Cr、35CrMo等。
实施例2：参照图2，本发明TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法具体步骤如下：
步骤1.将TiAl合金涡轮1、调质钢轴3的待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤2.将TiAl合金涡轮1、调质钢轴3分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上，使TiAl合金涡轮1、调质钢轴3的轴心共线；
步骤3.摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动调质钢轴3高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮1逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴3上，摩擦压力为200MPa，摩擦时间为7s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加300MPa的顶锻压力，保压5s，初步焊接完成；
步骤4.将摩擦焊接后的TiAl合金涡轮1与调质钢轴3放入真空扩散焊机的真空室中；抽真空至真空度为1.0×10-3Pa；升温至600℃并施加50MPa的压力；在温度为600℃及压力为50MPa下，保温保压20min后卸载压力并关闭加热***；扩散焊接完成后随炉冷却至室温，焊接完成。

Claims (2)

1.一种TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将TiAl合金涡轮、中间体的待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤二、将TiAl合金涡轮、中间体分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上，使TiAl合金涡轮、中间体的轴心共线；
步骤三、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动中间体高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮逐渐靠近并压在高速旋转的中间体上，摩擦压力为100～200MPa，摩擦时间为5～10s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加200～400MPa的顶锻压力，保压4～6s，初步焊接完成；
步骤四、将摩擦焊接后的TiAl合金涡轮与中间体放入真空扩散焊机的真空室中；抽真空至真空度为1.0×10-5～1.0×10-2Pa；升温至820～980℃并施加30～100MPa的压力；在温度为820～980℃及压力为30～100MPa下，保温保压10～60min后卸载压力并关闭加热***；扩散焊接完成后随炉冷却至室温；
步骤五、将与TiAl合金涡轮焊接后的中间体多余部分切除；
步骤六、将中间体、调质钢轴待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
步骤七、将焊接有中间体的TiAl合金涡轮、调质钢轴分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上；
步骤八、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴及旋转夹具驱动调质钢轴高速旋转，施力油缸通过滑台及移动夹具驱动TiAl合金涡轮及中间体逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴上，摩擦压力为100～200MPa,摩擦时间为5～10s；旋转夹具停止旋转，施力油缸施加200～400MPa的顶锻压力，保压4～6s；
步骤九、焊后缓冷并回火处理，加热温度至580～650℃，保温时间为0.5～2h，焊接完成；
所述中间体的材料是高温合金。
2.根据权利要求1所述的TiAl合金涡轮与调质钢轴的摩擦-扩散复合焊接方法，其特征在于：所述调质钢轴材料是42CrMo、40Cr或35CrMo的任一种。
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