CN113182773B - 一种TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，包括以下步骤：将焊接好的TiAl基合金异质扩散连接接头或结构件试样装入制作好的包套组件中；将包套好的试样装入加热炉中，随炉升温至1180℃～1220℃，保温10～15min后将包套好的试样转移到超塑成型机上，进行热机械变形，变形量控制在5～10％，变形完成后，将包套好的试样迅速转移到加热炉中进行随炉冷却，冷却至室温；上述热机械处理完成后，将包套好的试样通过机械加工去除包套，并进行机械加工获得所需产品。本申请针对难变形异质TiAl系金属间化合物扩散连接头，采用焊后热机械处理的方法，实现了TiAl合金和Ti2AlNb合金块体和复杂结构件连接接头的组织调控和性能优化，装配简单，工艺性好，强度提升明显。
Description
技术领域
本申请属于异种金属间化合物扩散焊接技术领域，尤其涉及一种TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法。
背景技术
随着航空、航天事业的不断发展，未来新一代武器装备和航空飞行器对轻质高温结构材料的性能和使用温度提出了越来越高的要求。TiAl基合金具有优异的高温性能，是钛合金使用温度上限(600℃)高温合金使用温度下限(900℃)区间使用的唯一候选材料，其密度(～3.968g/cm3)仅为镍基高温合金密度的一半不到，可大大提高发动机的推重比，达到轻量化的目的。但其本征脆性和难加工成型严重限制了其工程化应用。
焊接技术是拓展此类合金工程化应用的重要方法之一，目前TiAl基合金的焊接方法主要集中在熔焊(电子束焊接)、线性摩擦焊接、锻接法(将叶片锻造盘体中+扩散连接)、扩散连接等。无论针对某种焊接方式，接头的组织调控，应力的释放或平衡，都是强化焊接接头的重要过程。此目的的实现方式一般是通过焊后热处理和焊后热机械变形来调控界面结构；其中焊后热处理是有效促进界面元素扩散、提高接头组织演化规律的方法之一，是适合所有接头的一种组织控制方法。而焊后热机械变形一般是用于熔焊接头，达到细化接头凝固组织，提高熔焊接头的性能。
异质接头之间由于两种母材之间的热物理化学性质不同、热膨胀系数不同，易在界面处形成较大的应力集中，同时，针对异种金属间化合物TiAl基合金而言，其扩散系数低，易在连接界面处形成脆性化合物，这些均会恶化连接接头的性能，严重限制了双合金复杂结构件的制备。
文献“Diffusion Bonding ofDissimilar Intermetallic Alloys Based onTi2AlNb and TiAl”在不同的扩散连接参数下对TiAl合金和Ti2AlNb合金进行了扩散连接实验，并进行了焊后热处理实验，获得了不同连接界面组织状态的连接接头，在优化的参数条件下获得的剪切接头强度可达TiAl合金的80％。其未研究焊后热机械处理对连接接头组织调控，并优化性能，更不涉及复杂结构件的界面组织调控和性能优化。
目前，对于增强TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接块体连接强度的方法，主要集中在焊后热处理，而针对焊后热机械处理来强化异质TiAl基合金扩散连接块体强度的方法，还未见报道。同时，通过热机械处理强化异质TiAl基合金扩散连接复杂结构件的界面组织调控和性能优化方法也未见报道。
发明内容
为填补现有技术中尚无焊后热机械处理强化异质TiAl基合金扩散连接接头和复杂结构件技术的空白，本申请提出了一种TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，包含异种TiAl基合金简单结构件(块体)和复杂结构件(环形件、异形件)连接接头处的强化，该方法尤其能够强化TiAl合金与Ti2AlNb合金扩散连接结构件，其扩展了TiAl基金属间化合物的工程应用。
本申请具体是通过以下技术方案来实现的：
一种TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，包括以下步骤：
将焊接好的TiAl基合金异质扩散连接接头或结构件试样装入制作好的包套组件中，其中，所述包套组件包括配合使用的上包套盖、下包套盖以及中间的包套环，且所述包套组件上留有排气孔；
将包套好的试样装入加热炉中，随炉升温至1180℃～1220℃，保温10-15min后将所述包套好的试样迅速转移到超塑成型机上，进行热机械变形，变形量控制在5～10％，变形完成后，迅速将所述包套好的试样转移到加热炉中进行随炉冷却，冷却至室温；
上述热机械处理完成后，将所述包套好的试样通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工。
作为本申请的进一步说明，所述包套组件的制作过程包括如下步骤：
将所述包套环焊接到所述下包套盖上，形成包套组合体，并留有一个2mm的第一排气孔，所述第一排气孔位于所述下包套盖焊接处某一边长的中心；
将所述试样装入所述包套组合体中，然后将所述上包套盖焊接到所述包套组合体上，并留有一个2mm的第二排气孔，所述第二排气孔位于所述上包套盖焊接处与所述第一排气孔相对立边长的中心。
作为本申请的进一步说明，在将所述试样装入所述包套组合体之前还包括：
在所述上包套盖的内表面、所述下包套盖的内表面以及所述包套环的内表面涂抹止焊剂，并将5mm厚的耐火棉铺展到所有涂抹止焊剂的表面。
作为本申请的进一步说明，所述包套环与所述下包套盖同轴，所述上包套盖与所述包套组合体同轴，且在装配时，焊接接头的连接面需与所述上包套盖、所述下包套盖垂直。
作为本申请的进一步说明，所述上包套盖、所述下包套盖以及所述包套环的材料均选用Q235不锈钢。
作为本申请的进一步说明，所述上包套盖和所述下包套盖为尺寸、厚度均相同的不锈钢板，所述上包套盖和所述下包套盖的尺寸比所述包套环的直径或边长长20mm。
作为本申请的进一步说明，所述加热炉为箱式炉。
作为本申请的进一步说明，所述随炉升温至1180℃～1220℃时的升温速率为5℃/min，且在进行所述热机械变形时的下压速率为0.3mm/s。
作为本申请的进一步说明，所述超塑成型机为630T超塑成型机。
作为本申请的进一步说明，所述TiAl基合金异质扩散连接结构件为TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接块体；或所述TiAl基合金异质扩散连接结构件为TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接复杂结构件。
与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：
本申请针对难变形异质TiAl系金属间化合物扩散连接头，采用焊后热机械处理的方法，实现了TiAl合金和Ti2AlNb合金块体和复杂结构件连接接头的组织调控和性能优化，装配简单，工艺性好，强度提升明显。
附图说明
图1为本申请中扩散连接接头热机械处理过程的整体结构示意图；
图2为本申请中包套组件结构示意图；
图3为本申请中TiAl/Ti2AlNb扩散连接接头热机械处理后的宏观照片；
图4为本申请中TiAl/Ti2AlNb扩散连接接头热机械处理前的界面显微组织结构；
图5为本申请中TiAl/Ti2AlNb扩散连接接头热机械处理后的界面显微组织结构；
图6为本申请所提供的实施例中TiAl/Ti2AlNb扩散连接接头强化方法流程图。
附图标记说明
1-扩散连接试样；2-包套环；3-耐火棉；4-下包套盖；5-止焊剂；6-焊缝；7-上包套盖。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
实施例一
一种TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接头强化方法，包括如下步骤：
步骤1，制作包套组件：
所述的包套组件包括配合使用的上包套盖和下包套盖以及中间的包套环；
所述上包套盖、所述下包套盖以及所述包套环的材料均选用Q235不锈钢来制作，可根据试样的尺寸进行设计；
所述上包套盖和所述下包套盖是尺寸、厚度相同的不锈钢板，此尺寸应比所述包套环的直径或边长长20mm，并且所述包套环位于所述上包套盖和所述下包套盖的中心；将所述包套环焊接到到所述下包套盖上，形成包套组合体，并留有一个2mm左右的第一排气孔，所述第一排气孔位于所述下包套盖焊接处某一边长的中心；然后在所述上包套盖的内表面和所述下包套盖的内表面以及所述包套环的内表面涂抹止焊剂；
步骤2，装配：
将5mm厚的耐火棉铺展到所有涂抹止焊剂的表面，其目的是为了减少热量损失；将焊接好的TiAl/Ti2AlNb扩散连接接块试样装入制作好的所述包套组合体中，并将所述上包套盖焊接到所述包套组合体上，并留有一个2mm左右的第二排气孔，所述第二排气孔位于所述上包套盖焊接处与所述第一排气孔相对立边长的中心，所述上包套盖与所述包套组合体同轴，在装配时，焊接接头的连接面需与包套盖垂直；
步骤3，热机械处理：
将包套好的试样装入箱式炉中，随炉匀速(5℃/min)升温至1180℃，保温15min，将所述包套好的试样从箱式炉中转移到630T超塑成型机上，进行热机械变形，下压速率为0.3mm/s，变形量控制在5％，变形完成后，迅速将所述包套好的试样转移到箱式炉中进行随炉冷却，冷却至室温；
步骤4，后处理：
热机械处理完成后，将所述包套好的试样通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工。
至此，完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接块体的界面组织调控和性能提升。
实施例二
一种TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接头强化方法，包括如下步骤：
步骤1，制作包套组件：
所述的包套组件包括配合使用的上包套盖和下包套盖以及中间的包套环；
所述上包套盖、所述下包套盖以及所述包套环的材料均选用Q235不锈钢来制作，可根据试样的尺寸进行设计；
所述上包套盖和所述下包套盖是尺寸、厚度相同的不锈钢板，此尺寸应比所述包套环的直径或边长长20mm，并且所述包套环位于所述上包套盖和所述下包套盖的中心；将所述包套环焊接到到所述下包套盖上，形成包套组合体，并留有一个2mm左右的第一排气孔，所述第一排气孔位于所述下包套盖焊接处某一边长的中心；然后在所述上包套盖的内表面和所述下包套盖的内表面以及所述包套环的内表面涂抹止焊剂；
步骤2，装配：
将5mm厚的耐火棉铺展到所有涂抹止焊剂的表面，其目的是为了减少热量损失；将焊接好的TiAl/Ti2AlNb扩散连接接块试样装入制作好的所述包套组合体中，并将所述上包套盖焊接到所述包套组合体上，并留有一个2mm左右的第二排气孔，所述第二排气孔位于所述上包套盖焊接处与所述第一下排气孔相对立边长的中心，所述上包套盖与所述包套组合体同轴，在装配时，焊接接头的连接面需与包套盖垂直；
步骤3，热机械处理：
将包套好的试样装入箱式炉中，随炉匀速(5℃/min)升温至1200℃，保温13min，将所述包套好的试样从箱式炉中转移到630T超塑成型机上，进行热机械变形，下压速率为0.3mm/s，变形量控制在8％，变形完成后，迅速将所述包套好的试样转移到箱式炉中进行随炉冷却，冷却至室温；
步骤4，后处理：
热机械处理完成后，将所述包套好的试样通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工。
至此，完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接块体的界面组织调控和性能提升。
实施例三
一种TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接头强化方法，包括如下步骤：
步骤1，制作包套组件：
所述的包套组件包括配合使用的上包套盖和下包套盖以及中间的包套环；
所述上包套盖、所述下包套盖以及所述包套环的材料均选用Q235不锈钢来制作，可根据试样的尺寸进行设计；
所述上包套盖和所述下包套盖是尺寸、厚度相同的不锈钢板，此尺寸应比所述包套环的直径或边长长20mm，并且所述包套环位于所述上包套盖和所述下包套盖的中心；将所述包套环焊接到到所述下包套盖上，形成包套组合体，并留有一个2mm左右的第一排气孔，所述第一排气孔位于所述下包套盖焊接处某一边长的中心；然后在所述上包套盖的内表面和所述下包套盖的内表面以及所述包套环的内表面涂抹止焊剂；
步骤2，装配：
将5mm厚的耐火棉铺展到所有涂抹止焊剂的表面，其目的是为了减少热量损失；将焊接好的TiAl/Ti2AlNb扩散连接接块试样装入制作好的所述包套组合体中，并将所述上包套盖焊接到所述包套组合体上，并留有一个2mm左右的第二排气孔，所述第二排气孔位于所述上包套盖焊接处与所述第一排气孔相对立边长的中心，所述上包套盖与所述包套组合体同轴，在装配时，焊接接头的连接面需与包套盖垂直；
步骤3，热机械处理：
将包套好的试样装入箱式炉中，随炉匀速(5℃/min)升温至1220℃，保温10min，将所述包套好的试样从箱式炉中转移到630T超塑成型机上，进行热机械变形，下压速率为0.3mm/s，变形量控制在10％，变形完成后，迅速将所述包套好的试样转移到箱式炉中进行随炉冷却，冷却至室温；
步骤4，后处理：
热机械处理完成后，将所述包套好的试样通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工。
至此，完成了TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接块体的界面组织调控和性能提升。
需要说明的是，以上实施例提供的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接头强化方法，同样适用于其他包含异种TiAl基合金简单结构件(块体)和复杂结构件(环形件、异形件)连接接头处的强化。
各实施例所获得的连接接头抗拉强度如表1所示：
表1各实施例的所获得的接头的抗拉强度
| 实施例 | 抗拉强度/MPa |
| 1 | 583.23 |
| 2 | 597.89 |
| 3 | 588.57 |
说明：直接扩散连接接头的抗拉强度仅为325.35MPa。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将焊接好的TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接块体或TiAl合金和Ti2AlNb合金扩散连接复杂结构件装入制作好的包套组件中，其中，所述包套组件包括配合使用的上包套盖、下包套盖以及中间的包套环，且所述包套组件上留有排气孔；
将包套好的试样装入加热炉中，随炉升温至1200℃～1220℃，保温10～15min后将所述包套好的试样迅速转移到超塑成型机上，进行热机械变形，压缩力平行于扩散连接界面，下压速率为0.3mm/s，变形量控制在5～10％，变形完成后，迅速将所述包套好的试样转移到加热炉中进行随炉冷却，冷却至室温；
上述热机械处理完成后，将所述包套好的试样通过机械加工去除包套，并根据设计要求进行机械加工。
2.根据权利要求1所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述包套组件的制作过程包括如下步骤：
将所述包套环焊接到所述下包套盖上，形成包套组合体，并留有一个2mm的第一排气孔，所述第一排气孔位于所述下包套盖焊接处某一边长的中心；
将所述试样装入所述包套组合体中，然后将所述上包套盖焊接到所述包套组合体上，并留有一个2mm的第二排气孔，所述第二排气孔位于所述上包套盖焊接处与所述第一排气孔相对立边长的中心。
3.根据权利要求2所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：在将所述试样装入所述包套组合体之前还包括：
在所述上包套盖的内表面、所述下包套盖的内表面以及所述包套环的内表面涂抹止焊剂，并将5mm厚的耐火棉铺展到所有涂抹止焊剂的表面。
4.根据权利要求2所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述包套环与所述下包套盖同轴，所述上包套盖与所述包套组合体同轴，且在装配时，焊接接头的连接面需与所述上包套盖、所述下包套盖垂直。
5.根据权利要求1所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述上包套盖、所述下包套盖以及所述包套环的材料均选用Q235不锈钢。
6.根据权利要求1所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述上包套盖和所述下包套盖为尺寸、厚度均相同的不锈钢板，所述上包套盖和所述下包套盖的尺寸比所述包套环的直径或边长长20mm。
7.根据权利要求1所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述加热炉为箱式炉。
8.根据权利要求1所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述随炉升温至1200℃～1220℃时的升温速率为5℃/min。
9.根据权利要求1所述的TiAl基合金异质扩散连接接头强化方法，其特征在于：所述超塑成型机为630T超塑成型机。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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