CN1413792A

CN1413792A - 钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法

Info

Publication number: CN1413792A
Application number: CN 02133239
Authority: CN
Inventors: 冯吉才; 何鹏; 钱乙余; 张九海; 张秉刚
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: CN1238150C

Abstract

钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，它涉及钛铝基合金与钢的焊接方法。现有钛铝基合金与钢所采用的是直接扩散焊接，此种方法所得到的接头强度只有160～180MPa，很难满足现代高技术、高质化生产的需要。本发明提出的活性复合梯度阻隔扩散焊接是将钛铝基合金与钢之间加入金属箔如钛箔、镍箔、钒箔、铜箔、铌箔，其厚度在10～100μm之间，金属表面经过物理及化学清理后，将焊件夹装好置于热力真空焊机内，在真空度为1.3×10^－5～1×10^－4Torr、焊接压力为10～40MPa、焊接温度为1200～1350K时焊接10～30min。利用本发明提供的方法得到的扩散焊接接头，强度可达到400MPa，与钛铝基合金母材的强度接近，可以满足实际应用的需要。

Description

钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法

技术领域：本发明涉及钛铝基合金与钢的焊接方法。

背景技术：随着现代科学技术的发展，人们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使用性的角度来说，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，新材料及异种材料的焊接已成为新技术的前沿和支柱。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。通过钛铝基合金研究工作的广泛和深入进行，其原存在的室温延性低、热塑性变形能力差和1123K以上抗氧化能力不足等缺陷，在一定程度上得到了相应解决。钛铝基合金在工程上应用，制成构件，必然要碰上焊接问题，包括其自身的焊接及与其它材料的焊接，尤其是与金属的焊接，是实际应用中最常遇到的技术问题。随着现代战争的高技术化，民用产品的高质化及兵器技术的日益发展，对诸如坦克、导弹、超音速飞机、飞船及高级轿车的发动机涡轮材料提出了更高的要求。新型发动机的增压涡轮不仅要求工作温度高，且转速很高，目前采用高温合金制造，密度大，因而要承受很大的离心力，从而导致增压涡轮叶片易发生疲劳断裂，同时由于涡轮高速旋转时惯性较大，使得启动、中止响应慢，机动性差。采用密度小、高温性能良好的钛铝基合金制造，可望使涡轮的重量减少一半以上，这样不仅大大减少了由于离心力所造成的涡轮叶片的疲劳断裂的机会，而且可以大大减少转轴和轴套的磨损，提高发动机的可靠性和使用寿命，同时使得轴承、支架等部件受力状态得到改善，从而使得整个发动机结构优化。但在制造过程中存在钛铝基合金与钢的焊接问题。由于焊接技术不过关，大大限制了钛铝基合金在发动机等重要构件上的应用。钛铝基合金与钢属性能差别较大的材料，因材料的晶体结构不同，两种材料固态下相互溶解量很小，因此在界面区极易生成脆性的金属间化合物及碳化物，从而弱化焊接接头性能。解决这一问题的关键是如何有效的抑制及控制界面层内脆性相的种类、数量、形态及分布。因此成功的解决钛铝基合金与钢的焊接问题及深入地分析接头的形成机制，模拟扩散焊接过程，对推动钛铝基合金实用化及其它相关新型材料的焊接技术的发展有很大的实际意义及非常深远的理论意义。扩散焊接技术一般是指，在真空条件下使经过精细加工的被焊接表面紧密地靠在一起，在一定的温度及压力下，接触界面原子间相互扩散形成金属键接合，焊接过程中几乎没有变形，是一种精密的焊接方法，焊接质量可靠。但针对于钛铝基合金与钢的焊接，由于其物理性能和化学性能差别较大，两者之间的扩散焊接性较差，特别是界面脆性TiC层的生成使得接头性能显著恶化，接头均破断于TiC层或TiC层与脱碳层之间，即使在最佳扩散焊接条件(T＝1223K，t＝0.6ks，P＝20MPa)下，最高强度也仅为160～180MPa。

发明内容：为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，用来提高钛铝基合金与钢的焊接强度，以适应更高层次的需要。本发明用金属箔做为钛铝基合金与钢之间焊接的活性复合梯度阻隔层，焊前对金属表面进行物理和化学清理，将夹装好的焊件置于热力真空焊机内，在真空度为1.3×10^-5～1×10^-4Torr、焊接压力为10～40MPa、焊接温度为1200～1350K时焊接10～30min。焊接结束焊件在原真空条件下降温至373K时撤压，降温到室温时，取出焊件。前面所述的金属箔为纯钛箔、镍箔、钒箔、铜箔、铌箔，其中纯钛箔的厚度是30～50μm、镍箔厚度为30～100μm、钒箔厚度为30～100μm、铜箔厚度为10～50μm、铌箔厚度为30～100μm。所述的物理清理是用400^#、500^#、600^#、800^#、1000^#金相砂纸逐级磨光。所述化学清理为：钢的酸洗剂采用HNO₃和HCl的混合液，比例为1∶3，酸洗液在使用前24小时内配制，酸洗温度为室温，酸洗时间为10～40秒；钛的酸洗剂为5％HF，在室温下清洗5～15秒：钒、铌和铜在30～70％HNO₃溶液中清洗5～10秒。所述的夹装焊件是在钛铝基合金与钢之间夹装有金属箔，其夹装顺序分别为钛铝基合金、纯钛箔、镍箔、钢；钛铝基合金、纯钛箔、钒箔、铜箔、钢；钛铝基合金、纯钛箔、铌箔、铜箔、钢。本发明的活性复合梯度阻隔层采用镀覆或金属箔直接加入等方法置于待焊两工件的接合面内，加热方式采用感应加热、辐射加热、激光加热、电子束加热等，应用的对象包括各种性能差别较大的异种材料扩散焊接。

针对于钛铝基合金与钢的扩散焊接，本发明提出的活性复合梯度阻隔扩散焊接配方及工艺，与常规的直接扩散焊接方法相比，接头强度可提高到400MPa，与钛铝基合金母材的强度接近，可以满足实际应用的需要，接头的可靠性也大大增强，成品率高。

具体实施方式一：本实施方式采用钛/镍活性复合梯度阻隔层扩散焊接钛铝基合金与钢，扩散焊接材料分别为钛铝基合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb)、40Cr钢(40CrA)、纯钛(TA₂)，其化学成分、物理性能及机械性能如表1、表2所示，钛铝基合金为φ30mm×30mm的圆柱及10×5×30mm钢的对接件，活性复合梯度阻隔层采用纯钛箔，厚度为30～35μm、镍箔厚

表1 试验材料的化学成分(at％)

	Al	Ni	Cr	Nb	Ti	V	Fe	Si	C	N	O	Mn	S	P	Cu
	Al	Ni	Cr	Nb	Ti	V	Fe	Si	C	N	O	Mn	S	P	Cu	TiAl	47.2	1.17	0.56	0.11	51.0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
TC4	5.50	-	-	-	base	4.50	0.30	0.15	0.10	0.05	0.15	-	-	-	-	TiAl	47.2	1.17	0.56	0.11	51.0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
TC4	5.50	-	-	-	base	4.50	0.30	0.15	0.10	0.05	0.15	-	-	-	-	Ti	-	-	-	-	base	-	0.30	0.15	0.10	0.05	0.20	-	-	-	-
40Cr	-	0.18	0.95	-	-	-	base	0.27	0.40	-	-	0.65	0.01	0.01	-	Ti	-	-	-	-	base	-	0.30	0.15	0.10	0.05	0.20	-	-	-	-
40Cr	-	0.18	0.95	-	-	-	base	0.27	0.40	-	-	0.65	0.01	0.01	-	Ni	-	base	-	-	-	-	0.005	-	0.003	-	-	-	-	-	0.003
V	0.02	-	0.03	-	-	base	-	0.01	0.004	0.005	0.004	-	-	-	0.02	Ni	-	base	-	-	-	-	0.005	-	0.003	-	-	-	-	-	0.003
V	0.02	-	0.03	-	-	base	-	0.01	0.004	0.005	0.004	-	-	-	0.02	Cu	-	-	-	-	0.001	-	0.003	0.001	-	-	0.035	-	0.001	-	base

表2 试验材料的物理及机械性能

	物理性能					机械性能
	物理性能					机械性能			密度g/cm³	热膨胀系数10^-6/K	弹性模量GPa	熔点K	泊松比	σ_bMPa	σ_sMPa	δ₅％
	TiAl	3.76	10.8	176	1733	0.30	480	450	密度g/cm³	热膨胀系数10^-6/K	弹性模量GPa	熔点K	泊松比	σ_bMPa	σ_sMPa	δ₅％	3
TC4	TiAl	3.76	10.8	176	1733	0.30	480	450	4.45	7.9	97	1873	0.34	910	810	17	3
TC4	Ti	4.51	8.4	94	1913	0.40	450	270	4.45	7.9	97	1873	0.34	910	810	17	42
40Cr	Ti	4.51	8.4	94	1913	0.40	450	270	7.82	14.2	211	1673	0.29	937	789	15	42
40Cr	Ni	8.91	13.3	205	1726	0.30	450	405	7.82	14.2	211	1673	0.29	937	789	15	30
V	Ni	8.91	13.3	205	1726	0.30	450	405	6.12	8.3	132	2175	-	536	452	39	30
V	Cu	8.89	17.3	108	1357	0.35	221	69	6.12	8.3	132	2175	-	536	452	39	50

度为30～100μm，最好60μm，采用电阻加热Gleeble-1500型热/力模拟试验机及辐射加热真空扩散焊机或真空高频加热炉。加热设备均采用油压加压，工作室可充入保护气体，也可以由真空***抽成真空，真空度1.3×10^-5～1×10^-4Torr、焊接过程各工艺参数可程序控制和手动控制。被焊接表面用400^#、500^#、600^#、800^#、1000^#金相砂纸逐级磨光。考虑到实际金属表面存在着复杂的吸附层和氧化膜，影响焊接质量，对于上述磨光的表面再进行化学清理，去除金属表面吸附层及氧化膜，钢的酸洗剂采用HNO₃和HCl的混合液，其比例为1∶3，酸洗液在使用前24小时内配制，酸洗温度为室温，酸洗时间为30秒，钛的酸洗剂为5％的HF，在室温下清洗10秒；金属镍不需酸洗，焊前用丙酮擦拭即可；酸洗后的焊件经清水冲洗后吹干。焊接温度通过热电偶来测量及控制。焊前在已清理好的焊件上焊热电偶，使两热电偶的焊点尽可能靠近，且在同一周线上，焊点位置距端面距离控制在1mm左右，以保证过程温度与实际温度接近或相等。为了使焊件的温度场大致相同，热电偶所焊位置和夹头间距尽量保持一致，热电偶焊在钢的一侧，然后进行夹装，夹装的顺序为钛铝基合金、纯钛箔、镍箔、钢，纯钛箔与镍箔被夹在钛铝基合金与钢之间，注意防止焊件的错边。焊件安装完毕后关闭真空室，打开真空泵，待真空度达到1.3×10^-5～1×10^-4Torr时，接通电源进行焊接，此时的温度应在1200～1250K之间，最好为1223K，压力应在10～20MPa之间，最好是15MPa，焊接时间是10～16min，最好15min。焊接结束后，切断电源，焊件在原真空条件下降温至373K时撤压，降温至室温时，从真空室中取出焊件，其目的是为了防止焊件在高温下发生氧化。

钛/镍活性复合梯度阻隔层扩散焊接钛铝基合金与钢的实验表明，接头断于镍-钢和断于镍-钛之间的比例大致相等，接头强度可达380～400MPa，比直接扩散焊接高近一倍，接头的界面微观结构为TiAl(Ti₃Al+TiAl)/Ti(ss.Al)/Ti/TiNi₃/TiNi/Ti₂Ni/Ni/Ni-Fe固溶体/40Cr。镍-钛界面扩散层(各反应相及βTi转变层)厚度主要受焊接的时间及温度影响，焊接压力的影响较小。扩散层厚度的对数与焊接温度倒数成正比，各反应相及βTi转变层的厚度与焊接时间的平方根成正比。钛镍作活性复合梯度阻隔层可成功地焊接钛铝基合金与钢。

具体实施方式二：本实施方式采用钛/钒/铜活性复合梯度阻隔层扩散焊接钛铝基合金与钢，活性复合梯度阻隔层采用纯钛箔，厚度为36～40μm、最好38μm，钒箔厚度为30～100μm，最好70μm，铜箔厚度为10～30μm，金属钒和铜在30～70％HNO₃溶液中清洗5～10秒；焊接温度1251～1275K，最好1273K，焊接压力20～31MPa，最好25MPa，焊接时间17～23min，最好20min。其它工艺条件及工艺过程与实施方式一相同。

钛/钒/铜活性复合梯度阻隔层扩散焊接钛铝基合金与钢的实验表明，在Ti/V、V/Cu及Cu/40Cr的焊接界面处均出现了对焊接性能有利的无限固溶体层，而在TiAl/Ti界面处形成了(Ti₃Al+TiAl)双相层及Ti(ss.Al)固溶体层。由于TiAl/Ti界面处形成了对提高接头强度有利的(Ti₃Al+TiAl)双相层，接头强度最大值可达到410～430MPa。且从强度值试验数据来看，直接扩散焊接高强工艺参数范围内的强度值较分散，接头可靠性差，而Ti/V/Cu活性复合梯度阻隔层的使用，有效避免了导致接头性能严重弱化的脆性相的生成，从而使TiAl基合金与钢的焊接强度显著提高，基本接近TiAl基合金母材的强度，可以满足实际应用的需要。

具体实施方式三：本实施方式采用钛/铌/铜活性复合梯度阻隔层扩散焊接钛铝基合金与钢，活性复合梯度阻隔层采用纯钛箔，厚度为41～50μm、铌箔厚度为30～100μm，最好70μm，铜箔厚度为31～50μm，最好36μm，金属铌在30～70％HNO₃溶液中清洗5～10秒；焊接温度1276～1350K，最好1280K，焊接压力31～40MPa，最好32MPa，焊接时间24～30min，最好25min。其它工艺条件及工艺过程与实施方式一相同。

钛/铌/铜活性复合梯度阻隔层扩散焊接钛铝基合金与钢的实验表明，在Ti/Nb、Nb/Cu及Cu/40Cr的焊接界面处出现了对焊接性能有利的无限固溶体层，而在TiAl/Ti界面处形成了(Ti₃Al+TiAl)双相层及Ti(ssAl)固溶体层。接头强度最大值可达到420～430MPa，基本接近钛铝基合金母材的强度，可以满足实际应用的需要。

Claims

1、钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其特征在于钛铝基合金与钢之间以金属箔做为活性复合梯度阻隔层，焊前对金属表面进行物理和化学清理，将夹装好的焊件置于热力真空焊机内，在真空度为1.3×10^-5～1×10^-4Torr、焊接压力为10～40MPa、焊接温度为1200～1350K时焊接10～30min，焊接结束焊件在原真空条件下降温至373K时撤压，降温到室温时，取出焊件。

2、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其金属箔为纯钛箔、镍箔、钒箔、铜箔、铌箔。

3、根据权利要求2所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其纯钛箔的厚度为30～50μm、镍箔厚度为30～100μm、钒箔厚度为30～100μm、铜箔厚度为10～50μm、铌箔厚度为30～100μm。

4、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其物理清理是用400^#、500^#、600^#、800^#、1000^#金相砂纸逐级磨光。

5、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其化学清理是：钢的酸洗剂采用HNO₃和HCl的混合液，比例为1∶3，酸洗液在使用前24小时内配制，酸洗温度为室温，酸洗时间为10～40秒；钛的酸洗剂为5％HF，在室温下清洗5～15秒；钒、铌和铜在30～70％HNO₃溶液中清洗5～10秒；酸洗后的焊件经清水冲洗后吹干。

6、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其夹装焊件是在钛铝基合金与钢之间夹装金属箔，夹装顺序为：钛铝基合金、纯钛箔、镍箔、钢；钛铝基合金、纯钛箔、钒箔、铜箔、钢；钛铝基合金、纯钛箔、铌箔、铜箔、钢。

7、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其焊接压力为10～20MPa；焊接温度1200～1250K；焊接时间10～16min；纯钛箔厚度为30～35μm、镍箔厚度为30～100μm，最好60μm。

8、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其焊接压力为21～30MPa；焊接温度1251～1275K；焊接时间17～23min；纯钛箔厚度为36～40μm，最好38μm，钒箔厚度为30～100μm，最好70μm；铜箔厚度为10～30μm。

9、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其焊接压力为31～40MPa；焊接温度为1276～1350K；焊接时间为24～30min；纯钛箔厚度为41～50μm，铌箔厚度为30～100μm，最好70μm；铜箔厚度为31～50μm，最好36μm。

10、根据权利要求1所述的钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法，其特征在于a、以钛/镍为活性复合梯度阻隔层，焊接温度最好为1223K，焊接压力最好为15MPa，焊接时间最好为15min；b、以钛/钒/铜为活性复合梯度阻隔层，焊接温度最好为1273K，焊接压力最好为25MPa，焊接时间最好为20min；c、以钛/铌/铜为活性复合梯度阻隔层，焊接温度最好为1280K，焊接压力最好为32MPa，焊接时间最好为25min。