CN108380893A - TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法 - Google Patents

TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

一种TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，采用结构合理的工装，在Ti2AlNb粉末填充时，采取4支除气管，使得Ti2AlNb粉末能够均匀的、密实的分布在TiAl合金圆环的内部，并通过余量填充，直接获得无缺陷的TiAl合金和Ti2AlNb粉末圆环。本发明结构简单、装配简单、工艺性好，成本较低，可一次成型TiAl系金属间化合物圆环构件。本发明通过热等静压方法，一次完成了Ti2AlNb粉末的成型及其与TiAl合金和的连接。连接中未添加中间层，避免了由于添加中间层而生成众多新的反应层而导致的连接接头结构复杂、难以控制的缺点。

Description

TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法
技术领域
本发明涉及异种金属间化合物扩散连接技术领域。具体是一种TiAl合金圆环和Ti2AlNb粉末热等静压扩散连接圆环的方法。
背景技术
TiAl系金属间化合物由于具有密度低、比强度、比刚度高、高温抗氧化和蠕变性能优良等特点，被认为是为最具有希望替代传统高温合金的新型轻质结构材料，在汽车涡轮增压器、航空发动机、航天飞行器等领域拥有广泛的应用前景。其中TiAl合金圆环的使用温度可达700～900℃，Ti2AlNb合金使用温度可达650℃，可分别作为盘缘和盘芯材料。但其室温塑性较低，难加工成型限制了其广泛应用。热等静压扩散连接技术将热等静压处理工艺和扩散连接技术融合为一体，有效地缩短了制造工艺流程，降低生产成本，是近几年来发展迅速的异种金属连接工艺，在制备大型结构件和近净成形方面具有独到的优势。将此工艺用于TiAl系金属间化合物结构件的制备中，可大大提高其利用率，扩展其应用，对未来TiAl系金属间化合物的新方向可做一定的贡献。本发明基于热等静压扩散连接工艺，发明了一种TiAl系金属间化合物圆环粉-固热等静压制备方法，主要涉及Ti2AlNb粉末和TiAl合金的制备方法。
目前，关于异种合金的连接以及环形件的制备方面，本课题组以及国内外学者也针对不用的材料进行了大量的研究和探讨。
钢研院在公开号为CN 103447759 A发明创造中提出了一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法。该方法采用FGH91高温合金粉末作为FGH91粉末冶金涡轮盘和精密铸造K4188叶片环连接部位的过渡连接层，降低了异种高温合金整体叶盘热等静压扩散连接的难度，提高了扩散连接接头的质量。热等静压处理过程中，中间填充的粉末所受到的压力均匀性受限，界面很可能出现微孔，影响接头性能。
郎泽宝等人在公告号为CN 105385869 B发明专利中中提出了高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构建的制备方法。通过电镀、离子镀或电弧沉积的方法将中间层金属附着在高铌TiAl系金属间化合物待焊接表面，然后将高铌TiAl系金属间化合物块料和TC4钛合金预合金粉末装入包套中，抽真空，热等静压扩散连接，获得了具有良好性能的接头。但该发明未涉及圆环、凸台等复杂结构件的制备。
唐斌等人在申请号为201710018940.7的发明创造中通过严格控制扩散连接工艺成功连接了TiAl合金和Ti2AlNb合金，提出了一种高Nb-TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接方法。在申请号为201710961380.9的发明创造中提出了一种高温TiAl合金和Ti2AlNb合金环形件扩散连接方法。其主要是两种材料之间的简单连接，而对于粉末样品和合金样品之间复杂结构件的连接，未提出有效的连接方法。
发明内容
为解决现有技术不能用于粉-固热等静压扩散连接的不足，本发明提出了一种TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，备料；所述的备料包括制作的TiAl合金圆环和准备的Ti2AlNb粉末；
所述TiAl合金圆环的内表面采用正公差，精度为0～+0.01mm；该TiAl合金圆环内表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
所述准备的Ti2AlNb合金粉末的量包括TiAl合金圆环等径段的量X和楔形结构内部的补缩余量Y；其中X根据TiAl合金圆环的内径和包套管芯的外径来确定，Y根据楔形角α和楔形结构的高度h来确定；其中Y＝X4％；所述的Ti2AlNb合金粉末的粒度满足d≤100μm。
步骤2，制作包套组件；
所述包套组件包括包套、包套管芯和除气管；其中的除气管由总除气管、五通管和四个分除气管组成；包套由上包套和下包套组成；使用时，所述上包套的下端面与下包套的上端面之间焊接，组成包套；四个分除气管的下端分别装入并焊接在所述上包套上端面均匀分布的各分通气孔内；各分除气管的上端分别装入并焊接在所述五通管下表面均匀分布的各分通气孔内；总除气管的下端安装在所述五通管上表面中心的总通气孔内；所述包套管芯位于所述包套内，并使该包套管芯的上端装入并焊接在所述上包套上端面中心的通孔内，使该包套管芯的下端装入并焊接在所述下包套下端面中心的通孔内。
所述的五通管为空心圆盘，在该五通管上端面的中心有用于安装总除气管的总通气孔；在该五通管下端面均布有四个用于安装分除气管的分通气孔，并使各分通气孔环绕所述总通气孔分布。
所述上包套分为等径段和楔形段；所述等径段的内径与TiAl合金圆环的外径相同，并使二者间隙配合；所述楔形段位于等径段上端板的中心，并且该楔形段圆周表面与该上包套中心线之间的夹角α为5°～15°，所述楔形段的最小内径与所述TiAl合金圆环的内径相同；
所述楔形段的端面为上包套的上端面；在该上端面中心有用于安装包套管芯的通孔；在该通孔的周边环绕均布有四个分通气孔，并使所述各分通气孔分别与位于五通管下端面的各分通气孔同心。
所述下包套的内径与TiAl合金圆环的外径相同，并使二者间隙配合；在该下包套下端板中心有用于安装包套管芯的通孔，并且该通孔的内径与该包套管芯的外径相同。
所述下包套的内径与TiAl合金圆环的外径相同，并使二者间隙配合；在该下包套下端板中心有用于安装包套管芯的通孔，并且该通孔的内径与该包套管芯的外径相同。所述包套管芯为中空回转体；该包套管芯的外径与热等静压扩散连接后的结构件的内径相同。
步骤3，表面处理；
步骤4，Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配；
在真空环境中装配Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环；将待连接的TiAl合金圆环装入下包套内；将所述包套管芯的下端焊接在所述下包套下端板上的通孔内；将所述上包套的下端面与所述下包套的上端面焊接，组成包套；通过所述上包套上端面分布的四个分通气孔向包套内填装准备好的Ti2AlNb合金粉末，使所述Ti2AlNb合金粉末填充在TiAl合金圆环与包套管芯之间；填装时通过振动使Ti2AlNb合金粉末填充充实；将所述四个分除气管与上包套和五通管固装；将总除气管固装在所述五通管上表面；至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配。
步骤5，除气处理；
采用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa；火焰融化四个分除气管，封闭包套，得到粉-固装配件；
步骤6，热等静压扩散连接；
将得到的粉-固装配件放置在热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理；具体过程是：将所述热等静压炉以50℃/min的升温速率升温至900～1050℃；通过热等静压炉的压力***对该热等静压炉的炉腔内施加110～160MPa的压力并保持2～5h；保压结束后，随炉冷却至室温；
步骤7，后处理；
热等静压扩散连接完成后，通过机械加工去除包套组件，并根据需求进行机械加工；
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
本发明通过结构设计，余量填充，直接获得无缺陷的TiAl合金和Ti2AlNb粉末圆环。结构简单、装配简单、工艺性好，成本较低，可一次成型TiAl系金属间化合物圆环构件。其中Ti2AlNb合金粉末的粒度需满足d≤100μm。
为了保证粉-固连接界面的紧密结合，采用平面接触，因此，本发明中的TiAl合金圆环的内表面要平行于中心轴，并且表面要光滑，无氧化层、无油渍。
本发明采取4支除气管的目的是使得Ti2AlNb粉末能够均匀的、密实的分布在TiAl合金圆环的内部。上包套上端内表面采用楔形，以弥补热等静压过程中Ti2AlNb粉末的收缩量，得到尺寸更为精确的构件。另外，为了保证Ti2AlNb粉末的均匀受力和成型，要求包套芯管的内径r≥40mm。
本发明通过热等静压方法，一次完成了Ti2AlNb粉末的成型及其与TiAl合金和的连接；工艺简单。在连接时，未添加中间层，避免了由于添加中间层而生成众多新的反应层而导致的连接接头结构复杂、难以控制的缺点；通过设计，本发明采用楔形结构来满足在一定高度时，可增加装粉量的需求，同时这也有助于包套组件的连接，装结构简单，配简单，节约成本，工艺性好。本发明的原理是在高温、高压、长时间保温条件下，通过TiAl合金和Ti2AlNb粉末之间的紧密接触、合金中的元素快速扩散，通过接触界面，从而形成单一的反应连接层，获得TiAl合金圆环和Ti2AlNb粉末连接结构件。由于在热等静压过程中，提供的是一个全方位的压力，避免了传统机械方法施加应力时的应力集中，如图4所示；因此，试样在保温过程中的整体应力分布均匀，这为TiAl合金和Ti2AlNb粉末之间的连接提供了一定的基础，有利于获得双合金圆环。
附图说明
图1是包套组件的结构示意图，其中，图1a是主视图，图1b是图1a的A-A向视图，图1c是图1a的B-B向视图。
图2是Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配示意图。
图3是Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环热等静压扩散连接的工艺曲线。
图4是900℃-160MPa-5h条件保温过程中试样整体应力分布图。
图5是本发明的流程图。
图中：1.上包套；2.下包套；3.分除气管；4.阀门；5.五通管；6.总除气管；7.Ti2AlNb粉末；8.TiAl合金圆环；9.包套管芯。
具体实施方式
本发明是一种热等静压扩散连接TiAl合金圆环与Ti2AlNb粉末的方法，将通过三个实施例详细描述本发明的实施过程。
本发明的具体过程是：
步骤1，备料。所述的备料包括制作的TiAl合金圆环和准备的Ti2AlNb粉末。
按设计要求，通过线切割将TiAl合金锻坯加工成为TiAl合金圆环。该TiAl合金圆环的内表面采用正公差，精度为0～+0.01mm。所述的TiAl合金圆环采用TiAl合金锻件制成；对TiAl合金圆环内表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
所述的Ti2AlNb合金粉末的粒度满足d≤100μm。Ti2AlNb合金粉末的量包括TiAl合金圆环8等径段的量X和楔形结构内部的补缩余量Y。其中X根据TiAl合金圆环8的内径和包套管芯9的外径来确定，Y根据楔形角α和楔形结构的高度h来确定。其中Y＝X4％。
步骤2，制作包套组件。
根据设计，采用冲压工艺制作不锈钢制作所述包套组件。
所述包套组件包括包套、包套管芯9和除气管。其中的除气管由总除气管6、五通管5和四个分除气管3组成；包套由上包套1和下包套2组成。使用时，所述上包套的下端面与下包套的上端面之间焊接，组成包套。四个分除气管的下端分别装入并焊接在所述上包套上端面均匀分布的各分通气孔内；各分除气管的上端分别装入并焊接在所述五通管5下表面均匀分布的各分通气孔内，其分布如图1c所示；在所述各分除气管上均安装有阀门4。总除气管6的下端安装在所述五通管上表面中心的总通气孔内。
所述包套管芯9位于所述包套内，并使该包套管芯的上端装入并焊接在所述上包套1上端面中心的通孔内，使该包套管芯的下端装入并焊接在所述下包套2下端面中心的通孔内。
所述的五通管5为空心圆盘，在该五通管上端面的中心有用于安装总除气管6的总通气孔；在该五通管下端面均布有四个用于安装分除气管3的分通气孔，并使各分通气孔环绕所述总通气孔分布。
所述的上包套1为圆形壳体，该上包套分为等径段和楔形段。所述等径段的内径与TiAl合金圆环8的外径相同，并使二者间隙配合。所述楔形段位于等径段上端板的中心，并且该楔形段圆周表面与该上包套中心线之间的夹角α为5°～15°，所述楔形段的最小内径与所述TiAl合金圆环8的内径相同。
所述楔形段的端面为上包套的上端面；在该上端面中心有用于安装包套管芯9的通孔；在该通孔的周边环绕均布有四个分通气孔，并使所述各分通气孔分别与位于五通管下端面的各分通气孔同心。
所述的下包套2亦为圆形壳体。该下包套的内径与TiAl合金圆环8的外径相同，并使二者间隙配合。在该下包套下端板中心有用于安装包套管芯9的通孔，并且该通孔的内径与该包套管芯的外径相同。
所述上包套等径段的轴向长度与下包套的轴向长度相等。
所述包套管芯9为中空回转体。该包套管芯的外径与热等静压扩散连接后的结构件的内径相同。
步骤3，表面处理。
对得到的TiAl合金圆环表面进行酸洗处理后，浸入无水乙醇中超声波清洗15～20min，并置于无水乙醇中保存，以待热等静压扩散连接。同时，对所述包套组件进行表面清洗和除油。
步骤4，Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配。
将所述的下包套置于真空环境中。将待连接的TiAl合金圆环装入下包套内。将所述包套管芯9的下端焊接在所述下包套下端板上的通孔内。
将所述上包套的下端面与所述下包套的上端面焊接，组成包套。上、下包套焊接处的焊缝坡角为β。
将该包套置于振动机上，通过所述上包套上端面分布的四个分通气孔向包套内填装准备好的Ti2AlNb合金粉末，使所述Ti2AlNb合金粉末填充在TiAl合金圆环8与包套管芯9之间；填装时通过振动使Ti2AlNb合金粉末填充充实。
将所述四个分除气管3与上包套和五通管5固装。将总除气管6固装在所述五通管上表面。
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配。
步骤5，除气处理。
采用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa。采用火焰依次融化四个分除气管3，封闭包套，得到粉-固装配件。
步骤6，热等静压扩散连接。
将得到的粉-固装配件放置在热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理。具体过程是：将所述热等静压炉以50℃/min的升温速率升温至900～1050℃；通过热等静压炉的压力***对该热等静压炉的炉腔内施加110～160MPa的压力并保持2～5h。保压结束后，随炉冷却至室温。
步骤7，后处理。
热等静压扩散连接完成后，通过机械加工去除包套组件，并根据需求进行机械加工。
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
本发明提出的各实施例的具体过程相同，不同之处在于各实施例中进行热等静压扩散连接的工艺参数。
表1各实施例的热等静压扩散连接的工艺参数
表2各实施例中包套组件楔形段的角度
实施例 1 2 3
夹角α 5° 10° 15°

Claims (9)

1.一种TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，备料：所述的备料包括制作的TiAl合金圆环和准备的Ti2AlNb粉末；
步骤2，制作包套组件；
步骤3，表面处理；
步骤4，Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配；
步骤5，除气处理：
采用真空泵组对装配后的Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环进行除气处理，使得包套内部的真空度达到1×10-4Pa；火焰融化四个分除气管，封闭包套，得到粉-固装配件；
步骤6，热等静压扩散连接：
将得到的粉-固装配件放置在热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理；具体过程是：将所述热等静压炉以50℃/min的升温速率升温至900～1050℃；通过热等静压炉的压力***对该热等静压炉的炉腔内施加110～160MPa的压力并保持2～5h；保压结束后，随炉冷却至室温；
步骤7，后处理：
热等静压扩散连接完成后，通过机械加工去除包套组件，并根据需求进行机械加工；
至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的热等静压扩散连接。
2.如权利要求1所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述TiAl合金圆环的内表面采用正公差，精度为0～+0.01mm；该TiAl合金圆环内表面抛光至表面粗糙度小于0.4。
3.如权利要求1所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述准备的Ti2AlNb合金粉末的量包括TiAl合金圆环等径段的量X和楔形结构内部的补缩余量Y；其中X根据TiAl合金圆环的内径和包套管芯的外径来确定，Y根据楔形角α和楔形结构的高度h来确定；其中Y＝X4％；所述的Ti2AlNb合金粉末的粒度满足d≤100μm。
4.如权利要求1所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述包套组件包括包套、包套管芯和除气管；其中的除气管由总除气管、五通管和四个分除气管组成；包套由上包套和下包套组成；使用时，所述上包套的下端面与下包套的上端面之间焊接，组成包套；四个分除气管的下端分别装入并焊接在所述上包套上端面均匀分布的各分通气孔内；各分除气管的上端分别装入并焊接在所述五通管下表面均匀分布的各分通气孔内；总除气管的下端安装在所述五通管上表面中心的总通气孔内；
所述包套管芯位于所述包套内，并使该包套管芯的上端装入并焊接在所述上包套上端面中心的通孔内，使该包套管芯的下端装入并焊接在所述下包套下端面中心的通孔内。
5.如权利要求2所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述的五通管为空心圆盘，在该五通管上端面的中心有用于安装总除气管的总通气孔；在该五通管下端面均布有四个用于安装分除气管的分通气孔，并使各分通气孔环绕所述总通气孔分布。
6.如权利要求2所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述上包套分为等径段和楔形段；所述等径段的内径与TiAl合金圆环的外径相同，并使二者间隙配合；所述楔形段位于等径段上端板的中心，并且该楔形段圆周表面与该上包套中心线之间的夹角α为5°～15°，所述楔形段的最小内径与所述TiAl合金圆环的内径相同；
所述楔形段的端面为上包套的上端面；在该上端面中心有用于安装包套管芯的通孔；在该通孔的周边环绕均布有四个分通气孔，并使所述各分通气孔分别与位于五通管下端面的各分通气孔同心。
7.如权利要求2所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述下包套的内径与TiAl合金圆环的外径相同，并使二者间隙配合；在该下包套下端板中心有用于安装包套管芯的通孔，并且该通孔的内径与该包套管芯的外径相同。
8.如权利要求2所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，所述包套管芯为中空回转体；该包套管芯的外径与热等静压扩散连接后的结构件的内径相同。
9.如权利要求1所述TiAl系金属间化合物圆环热等静压扩散连接方法，其特征在于，在真空环境中装配Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环；将待连接的TiAl合金圆环装入下包套内；将所述包套管芯的下端焊接在所述下包套下端板上的通孔内；将所述上包套的下端面与所述下包套的上端面焊接，组成包套；通过所述上包套上端面分布的四个分通气孔向包套内填装准备好的Ti2AlNb合金粉末，使所述Ti2AlNb合金粉末填充在TiAl合金圆环与包套管芯之间；填装时通过振动使Ti2AlNb合金粉末填充充实；将所述四个分除气管与上包套和五通管固装；将总除气管固装在所述五通管上表面；至此，完成了Ti2AlNb合金粉末与TiAl合金圆环的装配。
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