CN108262579A - 韧化过渡的异种材料连接接头结构和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明用错位韧化过渡结构的钛及钛合金和铝及铝合金过渡接头的制备方法，具体为一种钛及钛合金与铝及铝合金过渡接头的制备方法。对接头结构进行设计，采用开槽添粉熔覆形式制备过渡接头。针对钛铝易形成脆性金属间化合物的问题，分布从接头结构与接头过渡材料两个方面来进行设计，制备出的韧化过渡的异种材料连接接头结构可以避免产生连续脆性相且可以通过控制裂纹扩展来提升接头力学性能的过渡接头，解决钛铝连接接头强度不高的问题。

Description

韧化过渡的异种材料连接接头结构和制备方法
技术领域
本发明涉及异种金属连接领域，具体涉及错位韧化过渡结构的钛及钛合金与铝及铝合金过渡接头的制备方法。
背景技术
异种金属的复合结构在航空航天、造船、电力工业等领域应用越来越广泛。钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。铝及铝合金由于具有低密度、高强度等优点成为工业中应用量最大的有色金属，在航空，汽车，机械等行业中得到了广泛应用。为了满足结构轻型化、结构功能一体化和低成本设计与制造的发展要求，综合利用不同材料的性能优势，将具有不同特性的材料组合在一起使用已经越来越受到重视。钛合金比强度高、耐高温，但价格相对较为昂贵。铝合金密度小，价格相对较为低廉，因此当需要实现特殊用途时，可以使用铝/钛的复合结构。
在异种金属材料的焊接中，由于两种材料的物理化学性质各不相同，有的组合甚至差异很大，这将对焊接过程产生很大的影响。与同种材料的焊接相比，异种材料的焊接机理和操作技术都比同种材料要复杂的多。
Majumdar等采用CO2激光对TC4和铝镁合金进行熔焊焊接，焊接接头处产生很多裂纹，这些裂纹主要由新生的金属间化合物Ti3Al相和TiAl相导致，接头强度只有33～57MPa，后面研究人员加了一层Nb板，改善了裂纹情况，但是接头强度任然较低，仅有127MPa.
日本学者T.Takemoto等人在真空条件600～620℃对纯钛和纯铝进行钎焊研究，钎料采用Al-30Ag-10Cu、Al-10Cu-8Sn和Al-10Si-Mg等，接头拉伸强度最高仅有70MPa。
我国的李亚江、徐国庆等人在钛板渗铝的方法上有一定的研究，这种扩散焊方法一定程度上抑制了金属间化合物的产生，但焊接接头拉伸强度最高仅为180MPa.
德国不莱梅应用射线研究所Wagner等人用Nd:YAG激光器对Al/Ti进行了熔钎焊搭接试验，通过热传导的方法激光直接作用到搭接在钛板的铝合金母材上，熔化铝合金母材钎焊到钛合金板上，用参数控制金属间化合物的产生数量，拉伸强度达到220MPa。
国内哈尔滨工业大学陈彦斌教授等人采用AlSi12作为填充材料，激光直接作用到填充材料，从而得到熔焊和钎焊双重特性的复合型接头，双面成型的焊缝接头平均抗拉强度最好可以达到278MPa。
北京工业大学肖荣诗教授等人针对激光熔钎焊利用率低、焊接效率低而且只能焊接薄板等缺点，采用激光深熔钎焊焊接方法得到较好的焊接接头，得到的焊接接头最好的抗拉强度最高也仅为217MPa。
专利一种钛-钢异种金属烧结/焊接的连接方法中，采用的是将钛或其合金、V-Cu基梯度合金粉末C1、C2、C3、不锈钢逐一置于模具中并预加压,然后将模具置于烧结设备中进行放电等离子烧结成型，其中V-Cu基梯度合金C1、C2、C3由多种金属粉末按照不同比例混合而成的膨胀系数梯度匹配的混合粉末组成，钛-钢异种金属烧结/焊接接头具有较高的力学性能。此发明同样是在异种金属连接中采用了过渡接头的方法，本专利与其对比，在结构上有较大差异，采用了仿生理念，通过仿生的设计来达到控制裂纹的扩展。
目前已有的钛铝连接手段中依然存在的问题可以归纳为：
1，钛及钛合金和铝及铝合金接头产生脆性金属间化合物层，钛及钛合金和铝及铝合金接头的拉伸强度较低；
2，钛及钛合金和铝及铝合金接头产生脆性金属间化合物层，接头处韧性与母材的韧性有较大差距。
发明内容
本发明目的在于提供一种采用错位韧化过渡结构的过渡接头及其制备方法。
实现本发明目的采用如下技术方案：
一种钛及钛合金与铝及铝合金的过渡接头制备方法，包含了由钛过渡至钛-铝-锡硅再过渡到铝-锡-硅再过渡至铝-硅与由钛过渡至钛-铝-钒-硅两个过渡区域；
错位韧化过渡结构的钛及钛合金与铝及铝合金的过渡接头制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将钛及钛合金板进行表面预加工，在钛及钛合金表面加工出六棱台型凹槽，六棱台尺寸为外接圆直径0.5～2mm,开槽拔模角度为10～30°，槽孔深度为0.5～2mm，六棱台在钛合金表面紧密排列，六棱台上表面两两形成对称关系，六棱台边之间距离为0.5～1.5mm；
步骤2，对开槽后的钛及钛合金进行打磨清洗，去除其表面氧化物以及油渍等；
步骤3，向打磨清洗完成后的钛及钛合金凹槽内添加铝锡硅混合粉末，锡的比重30-35％，硅的比重为3-10％，铝余量，添加至刚好填满凹槽；
步骤4，采用真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理；
步骤5，向经过熔覆处理后的凹槽添加铝铜硅混合粉末，锡的比重为10-15％，硅的比重为1.2～2.7％，铝余量；
步骤6，采用真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理；
步骤7，取厚度为0.05～1.5mm的钒箔片，将钒箔片垫于处理后的表面，并扣除对应步骤1中六棱台区域，向接头表面所有位置添加铝硅粉末，硅的比重1.2-2.7％，粉末上表面距离钒箔片上表面0.5mm-1mm；
步骤8，采用真空电子束对过渡接头表面进行熔覆处理。
进一步的，步骤1中，焊前准备具体步骤为，将钛及钛合金板进行表面预加工，在钛及钛合金表面加工出六棱台型凹槽，六棱台尺寸为外接圆直径0.5～2mm,开槽拔模角度为10～30°，槽孔深度为0.5～2mm，六棱台在钛合金表面紧密排列，六棱台上表面两两形成对称关系，六棱台边之间距离为0.5～1.5mm；
进一步的，步骤2中，对开槽后的钛及钛合金进行打磨清洗，去除钛合金表面氧化物以及油渍等。
进一步的，步骤7中，取厚度为0.05～1.5mm的钒箔片，将钒箔片垫于处理后的表面，并扣除对应步骤1中六棱台区域，向接头表面所有位置添加铝硅粉末，硅的比重1.2-2.7％，粉末上表面距离钒箔片上表面0.5mm-1mm；
本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：
1、本发明采用的是错位韧化过渡的结构来制备钛铝连接的过渡接头，包含了由钛过渡至钛-铝-锡硅再过渡到铝-锡-硅再过渡至铝硅与由钛过渡至钛-铝-钒-硅两个过渡区域，在这两个过渡区域分别对金属间化合物进行了优化，减少了产生脆性相的概率。
2、本发明通过采用错位韧化过渡的结构，当裂纹扩展至软质材料处，裂纹需要更多能量来达到扩展效果，或者需要改变扩展方向，增加能量来支撑能够解决脆性断裂裂纹迅速扩展问题。
附图说明
图1为加工后钛合金板材局部三维图；
图2为实例一加工后钛合金表面局部俯视图以及其尺寸信息图；
图3为实例一加工后钛合金表面六棱台凹槽剖面图及其尺寸信息图；
图4为钒箔片局部三维图；
图5为过渡接头熔覆结构剖面示意图；
图6为铝、硅、锡两两二元相图。
具体实施方式
本发明技术方法不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
实施例1
步骤1，将TC4钛合金板进行表面预加工，在钛合金表面加工出六棱台型凹槽，如图1。六棱台尺寸为外接圆直径1.5mm,开槽拔模角度为15°，槽孔深度为1.5mm，六棱台在钛合金表面紧密排列，六棱台上表面两两形成对称关系，六棱台边之间距离为1.3mm；
步骤2，对开槽后的钛合金进行打磨清洗，去除钛合金表面氧化物以及油渍等；
步骤3，向打磨清洗完成后的凹槽内添加铝锡硅比例为62:30:8的铝铜混合粉末，添加至刚好填满凹槽；
步骤4，采用真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理；
步骤5，向经过熔覆处理后的凹槽添加铝锡硅比例为83:15:2的混合粉末；
步骤6，采用真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理；
步骤7，取厚度为0.1mm的钒箔片，将钒箔片垫于处理后的表面，并扣除对应步骤1中六棱台区域，如图4。向接头表面所有位置添加铝硅粉末，硅的比重1.2-2.7％，粉末上表面距离钒箔片上表面0.5mm；
步骤8，采用真空电子束对过渡接头表面进行熔覆处理，真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理的具体参数为：室真空7E-2，枪真空8E-2，束流17mA，扫描速度为10mm/s。
制备的得到的加工后钛合金表面尺寸信息如图2、3所示，
本发明包含了由钛过渡至钛-铝锡硅再过渡到铝锡硅再过渡至铝硅与由钛过渡至钛-铝钒硅两个过渡区域，通过这种软硬交替结构能够有效控制裂纹的扩展，软区材料韧性较好，硬区材料较脆，裂纹会从脆性区域产生，当扩展至韧性区域会被终止，因此裂纹想要继续扩展即需要更高的能量输入，所以本发明从控制裂纹扩展的角度入手，提升了接头的拉伸强度以及韧性。过渡接头熔覆结构剖面如图5所示。
本发明通过向过渡接头中添加硅元素与锡元素。
硅元素的加入可以有效地抑制界面金属间化合物的厚度，TiAl3中的硅元素与钛有很强的结合能力，限制了钛在TiAl3中运动，从而导致了扩散激活能很大，反应层生长很慢，并且硅含量达到一定值时甚至与TiAl3发生反应生成其他化合物；
锡对钛及钛合金来说属于中性元素，该元素掺入钛及钛合金中提高钛及钛合金的耐蚀性，在α钛和β钛中均有较大的固溶度，能提高钛及钛合金的室温抗拉强度、高温拉伸性能和电阻率，并且，锡具有较强的金属性能，先熔化的锡容易与钛反应，减少了钛与铝金属间化合物形成的几率，使接头中的金属间化合物具有一定的塑性；另外在α钛中，锡与铝一起还可以起到稳定α相得作用，且含锡量高，可获得较大的超弹性应变，见图6。
锡与铝液态时可以在很大的成分范围相互溶解，但锡在铝中的固溶度极小(<0.01％),锡和铝不形成化合物，锡是以游离态存在与铝中的；
铝锡硅的结晶相组织由α铝、Si、β锡3相组成，β锡相依附于共晶Si凝固并以近网状分布于晶界，调整参数可以得β锡以硅为核心的“包晶”式相结构。

Claims (5)

1.一种韧化过渡的异种材料连接接头结构，其特征在于，该结构为：TC4钛合金与铝合金的过渡接头，具体制备步骤如下：
步骤1，将钛及钛合金板进行表面预加工，在钛及钛合金表面加工出六棱台型凹槽，六棱台型凹槽尺寸为外接圆直径0.5～2mm，开槽拔模角度为10～30°，槽孔深度为0.5～2mm；
步骤2，对开槽后的钛及钛合金进行去杂质预处理；
步骤3，向打磨清洗完成后的钛及钛合金凹槽内添加铝锡硅混合粉末，锡的比重30-35％，硅的比重为3-10％，铝余量，添加至刚好填满凹槽；
步骤4，采用真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理；
步骤5，向经过熔覆处理后的凹槽添加铝锡硅混合粉末，锡的比重为10-15％，硅的比重为1.2～2.7％，铝余量；
步骤6，采用真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理；
步骤7，取厚度为0.05～1.5mm的钒箔片，将钒箔片垫于处理后的表面，并将对应钛及钛合金板上相应六棱台凹槽位置的钒箔片去除；且将钒箔片放置在钛及钛合金板表面；并向钒箔片表面添加铝硅粉末，直至填满钒箔片相应六棱台凹槽位置，且粉末上表面距离钒箔片上表面的厚度为0.5mm-1mm，铝硅粉末中硅的比重1.2-2.7％；
步骤8，采用真空电子束对过渡接头表面进行熔覆处理，完成接头制备。
2.根据权利要求1所述的韧化过渡的异种材料连接接头结构，其特征在于，步骤1中，六棱台型凹槽的数量至少为1个，形成的在钛合金表面紧密排列的六棱台型凹槽群，相邻六棱台上表面两两形成对称关系，相邻六棱台边之间距离为0.5～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的韧化过渡的异种材料连接接头结构，其特征在于，步骤2中，去杂质预处理具体为：对开槽后的钛及钛合金进行打磨清洗，去除钛合金表面氧化物以及油渍。
4.根据权利要求1所述的韧化过渡的异种材料连接接头结构，其特征在于，步骤4、6、8中，真空电子束对添加的粉末进行熔覆处理的具体参数为：室真空7E-2，枪真空8E-2，束流范围15-21mA，扫描速度为7-12mm/s。
5.根据权利要求1-4所述的韧化过渡的异种材料连接接头结构的制备方法。
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