CN1328222C

CN1328222C - TiAl合金与TiB2金属陶瓷的自蔓延反应连接方法

Info

Publication number: CN1328222C
Application number: CNB200510010468XA
Authority: CN
Inventors: 冯吉才; 李卓然; 曹健; 何鹏; 刘会杰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: CN1785913A

Abstract

TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的自蔓延反应连接方法，本发明涉及TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的焊接方法，该方法简便易行，克服了现有技术设备复杂、工艺烦琐的缺陷。它包括如下步骤：用高频电磁场给TiAl合金和TiB₂金属陶瓷预热；继续施加高频电磁场的同时给叠置的合金和金属陶瓷施加30-60MPa的轴向压力，夹在合金与金属陶瓷之间的粉末压坯被高频电磁场引燃并发生自蔓延反应，实现合金与金属陶瓷的连接，所述粉末压坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成。该种方法把母材预热、引燃压坯自蔓延反应用高频感应加热一次完成，简单易行而且对设备要求低。

Description

TiAl合金与TiB2金属陶瓷的自蔓延反应连接方法

技术领域

本发明涉及TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的焊接方法，属于金属间化合物焊接领域。

背景技术

随着现代科学技术的突飞猛进，特别是航天、航空、原子能等尖端科技的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。目前，无论是从经济性还是从实用性的角度来说，单一材料已经很难满足现代生产技术对材料综合性能的需求，因此，国内外材料科学工作者正致力于研究和开发新材料及异种材料的连接技术。钛铝基合金具有密度小(约为3.8g/cm³)、比强度高、刚性好、良好的高温力学性能和抗氧化性等优点，被认为是一种理想的、富有开发应用前景的航空、航天、军事及民用的新型高温结构材料。TiB₂金属陶瓷与TiAl合金的连接对于TiAl合金在高温环境中应用具有非常重要的意义。由于这两种材料的物理、化学性能差异较大，而且熔点比较高，传统的熔焊方法很难实现这两种材料的连接，可能的连接方法主要涉及扩散连接和钎焊。但是TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的扩散连接接头反应产物中脆性相较多，连接效率很低，界面处残余应力很大，接头质量难以控制，因此很难得到应用。尽管钎焊过程中钎料的熔化起到了缓解应力的作用，但是钎焊接头在高温下的使用受到限制，而且扩散连接和钎焊对设备的要求很高，一般要求比较大的加热设备而且普遍需要真空或者保护气氛。公开号为CN1475463A的专利提供了一种《陶瓷与金属场致自蔓延燃烧连接法》，该方法存在的缺陷是连接需要用专门的引燃装置，所需设备相对复杂，而且要求陶瓷表面必须镀镍，工艺比较烦琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的自蔓延反应连接方法，该方法简便易行，克服了现有技术设备复杂、工艺烦琐的缺陷。本方法包括如下步骤：一、用高频电磁场给TiAl合金和TiB₂金属陶瓷预热；二、继续施加高频电磁场的同时给叠置的TiAl合金和TiB₂金属陶瓷施加30-60MPa的轴向压力，夹在TiAl合金与TiB₂金属陶瓷之间的粉末压坯被高频电磁场引燃并发生自蔓延反应，实现TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的连接，所述粉末压坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成。由Ti、Al、C、Ni和Mo压制而成的粉末压坯各组分的重量百分比为：Ti：27.5～45％、Al：15～25％、C：8～10％、Mo：3～5％、余量为Ni；由Ti、Al、B、Ni和Mo压制而成的粉末压坯各组分的重量百分比为：Ti：22.5～40％、Al：15～20％、B：10～15％、Mo：4～8％、余量为Ni。由Ti、Al、C、Ni和Mo压制而成的粉末压坯各组分的重量百分比为：Ti：27.5～45％、Al：15～25％、C：8～10％、Mo：3～5％、余量为Ni；由Ti、Al、B、Ni和Mo压制而成的粉末压坯各组分的重量百分比为：Ti：22.5～40％、Al：15～20％、B：10～15％、Mo：4～8％、余量为Ni。

本发明中采用高频感应加热将特殊成分Ti-Al-C-Ni-Mo或Ti-Al-B-Ni-Mo中间层粉末压坯引燃后，利用自蔓延反应放出的热量作为连接热源，同时在高频电磁场辅助下实现TiAl合金与TiB₂金属陶瓷连接，本发明所采用的粉末压坯作为中间层反应体系其反应放热量很大，引燃的温度很低而且引燃以后能够实现自蔓延反应。中间层粉末压坯中Al的加入主要为了降低体系的引燃温度，Ti-C或者Ti-B为主要放热体系，Mo的加入能够改善Ni与TiC之间的润湿性。中间层粉末压坯中的Ni主要作为整个反应的稀释剂，一方面能够改善界面处的润湿情况和致密度，另一方面能够提高接头的高温力学性能和使用温度。产生电磁场的高频感应线圈既作为给TiAl合金和TiB₂金属陶瓷预热的装置又作为自蔓延反应的引燃装置，降低了设备的复杂程度；连接过程中不需要给任何位置进行镀镍处理。本方法具有步骤简单、高效和节能的优点，具有较大的推广价值。

具体实施方式

具体实施方式一：本方法包括如下步骤：一、用高频电磁场给TiAl合金和TiB₂金属陶瓷预热。高频电磁场的频率为20～30赫兹。二、继续施加高频电磁场的同时给叠置的TiAl合金和TiB₂金属陶瓷施加30-60MPa的轴向压力，夹在TiAl合金与TiB₂金属陶瓷之间的粉末压坯被高频电磁场引燃并发生自蔓延反应，实现TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的连接，所述粉末压坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成。采用的Ti-Al-C-Ni-Mo粉末压坯，其各组分的重量百分比为：Ti：27.5～45％、Al：15～25％、C：8～10％、Mo：3～5％、余量为Ni；采用的Ti-Al-B-Ni-Mo粉末压坯，其各组分的重量百分比为：Ti：22.5～40％、Al：15～20％、B：10～15％、Mo：4～8％、余量为Ni。压制粉末压坯的原始粉末中选用的金属粉末均为纳米粉末，原始粉末的粒度和纯度分别为：Ti(纯度≥98.5％，粒度≤70nm)，Al(纯度≥99.9％，粒度≤35nm)，C(纯度≥99％，粒度≤1μm)，Ni(纯度≥99.5％，粒度≤50nm)，Mo(纯度≥99％，粒度≤90nm)和Ti(纯度≥98.5％，粒度≤70nm)，Al(纯度≥99.9％，粒度≤35nm)，B(纯度≥99％，粒度≤2μm，无定形)，Ni(纯度≥99.5％，粒度≤50nm)，Mo(纯度≥99％，粒度≤90nm)，原始粉末采用球磨机在氩气保护下干混24小时。粉末压坯在300～500MPa的压力下压制成厚度为1mm左右。采用本发明方法连接的TiAl合金的成分范围为：Ti：31～78(at％)、Al：22～69(at％)、V：1.0～3.0(at％)、Cr：1.5～2.5(at％)、Nb：1.5～2.5(at％)。TiB₂金属陶瓷成分范围为：TiB₂：42～68(at％)、Cu：32～58(at％)。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是它还包括如下步骤：三、继续施加高频电磁场的同时给叠置的TiAl合金和TiB₂金属陶瓷施加10～40MPa的轴向压力，使经过初步连接的TiAl合金和TiB₂金属陶瓷在高频感应加热的条件下，完成连接接头处元素成分的扩散和均匀化。本实施方式把自蔓延反应完成后的初步连接接头用高频感应加热并加压，进行扩散和均匀化处理，最终得到高质量连接接头。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式二的不同点是：在步骤三中，高频感应加热至TiAl合金与TiB₂金属陶瓷连接接头处的温度为1200～1300K，保持40～60min，然后停止加热，TiAl合金和TiB₂金属陶瓷降温至373K时撤掉压力。其它步骤与实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同点是：待焊的TiAl合金的成分为：Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at％)，TiB₂金属陶瓷的成分为：TiB₂-40Cu(wt％)。被焊接表面用400^#、500^#、600^#、800^#、1000^#金相砂纸逐级磨光，然后采用超声波清洗仪在丙酮溶液中清洗。按照Ti：27.5～45％、Al：15～25％、C：8～10％、Mo：3～5％、余量为Ni的比例称量出各组分的粉末，将以上组分的粉末采用球磨机在氩气保护下混合24小时，球磨机采用的球料比为5～10∶1，采用400～500MPa的轴向压力将原始粉末压制成粉末压坯；采用高频感应加热方式对TiAl合金和TiB₂金属陶瓷接头处加热至Al元素熔点附近，在完成工件局部预热处理的同时引燃粉末压坯自蔓延反应，通过粉末压坯的自蔓延反应在外加电磁场辅助下实现TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的初步连接，完成初步连接的焊件继续采用高频感应加热完成扩散均匀化处理，处理过程结束后焊件降温，结束。其它步骤与实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同点是：按照重量百分比为Ti：22.5～40％、Al：15～20％、B：10～15％、，Mo：3～8％、余量为Ni的比例配制原始粉末，采用300～400MPa的压力将充分混合的原始粉末压制成粉末压坯。自蔓延反应连接过程中保持40～60MPa的轴向连接压力。

Claims

1、TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的自蔓延反应连接方法，其特征在于它包括如下步骤：一、用高频电磁场给TiAl合金和TiB₂金属陶瓷预热；二、继续施加高频电磁场的同时给叠置的TiAl合金和TiB₂金属陶瓷施加30-60MPa的轴向压力，夹在TiAl合金与TiB₂金属陶瓷之间的粉末压坯被高频电磁场引燃并发生自蔓延反应，实现TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的连接，所述粉末压坯由Ti、Al、C、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成或由Ti、Al、B、Ni和Mo的粉末混合均匀后压制而成；由Ti、Al、C、Ni和Mo压制而成的粉末压坯各组分的重量百分比为：Ti：27.5～45％、Al：15～25％、C：8～10％、Mo：3～5％、余量为Ni；由Ti、Al、B、Ni和Mo压制而成的粉末压坯各组分的重量百分比为：Ti：22.5～40％、Al：15～20％、B：10～15％、Mo：4～8％、余量为Ni。

2、根据权利要求1所述的TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的自蔓延反应连接方法，其特征在于它还包括如下步骤：三、继续施加高频电磁场的同时给叠置的TiAl合金和TiB₂金属陶瓷施加10～40MPa的轴向压力。

3、根据权利要求2所述的TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的自蔓延反应连接方法，其特征在于在步骤三中，高频感应加热至TiAl合金与TiB₂金属陶瓷连接接头处的温度为1200～1300K，保持40～60min，然后停止加热，TiAl合金和TiB₂金属陶瓷降温至373K时撤掉压力。

4、根据权利要求3所述的TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的自蔓延反应连接方法，其特征在于待焊的TiAl合金的成分为：Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at％)，TiB₂金属陶瓷的成分为：TiB₂-40Cu(wt％)，被焊接表面分别用400^#、500^#、600^#、800^#、1000^#金相砂纸逐级磨光，然后采用超声波清洗仪在丙酮溶液中清洗，按照Ti：27.5～45％、Al：15～25％、C：8～10％、Mo：3～5％、余量为Ni的比例称量出各组分的粉末，将以上组分的粉末采用球磨机在氩气保护下混合24小时，球磨机采用的球料比为5～10∶1，采用400～500MPa的轴向压力将上述粉末压制成粉末压坯；采用高频感应加热方式对TiAl合金和TiB₂金属陶瓷接头处加热至Al元素熔点附近，在完成工件局部预热处理的同时引燃粉末压坯自蔓延反应，通过粉末压坯的自蔓延反应在外加电磁场辅助下实现TiAl合金与TiB₂金属陶瓷的初步连接，完成初步连接的焊件继续采用高频感应加热完成扩散均匀化处理，处理过程结束后焊件降温，结束。