CN1765560A - 镁合金与钛合金扩散焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁合金与钛合金扩散焊接方法，包括下述步骤：根据镁合金与钛合金的特性，选择Al箔作为镁合金与钛合金的焊接中间层，并清洁处理镁合金与钛合金的焊接面以及Al箔中间层；将Al箔中间层置于镁合金与钛合金之间，并放置于真空扩散焊炉内上压头和下压头之间，在压头与镁合金、压头与钛合金之间放置阻焊层，施加预压力压实；对扩散焊炉抽真空，当真空度优于4.0×10－3Pa时，加热到200℃并保温5～10min，充入氩气，当真空室压力达到100～220Pa时，关闭充气阀。继续升温至450～495℃，并保温60～180min，并在450～495℃保温过程前30min施加0.3～1MPa轴向压力，之后完全卸压，达到保温时间后随炉冷却。这种使用Al箔中间层的扩散焊接方法，可实现钛合金与镁合金的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金与钛合金焊接方法，特别涉及镁合金与钛合金扩散焊接方法。
背景技术
镁合金密度低，比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，是飞行器等运载工具结构件的理想材料，同时其资源丰富，易于机械加工，尺寸稳定性好，铸造成本低，这些特点有利于降低镁合金零件的制造成本。但镁合金在抗氧化性、耐蚀性、室温塑性以及高温热力学稳定性等方面的不足阻碍了其的应用。钛合金作为一种重要的结构材料，具有高的比强度、优良的耐热、耐蚀性及断裂韧性等优点，在航空、航天、石化、医疗及地质等领域受到极大青睐，但由于其价格昂贵，限制了其进一步推广应用。因此，充分利用和发挥钛合金、镁合金各自的性能优势，研究两者的理想连接技术是进一步推广钛合金、镁合金应用，降低成本，充分利用不同材料不同优势的有效途径之一。
镁合金与钛合金直接接触扩散焊难以实现可靠连接，其原因有以下三方面，首先，镁、钛两类合金不存在叠交的超塑性变形温区，所以无法通过超塑性扩散焊实现两者的连接；其次，Mg、Ti在固、液相状态下不互溶，因此相互扩散能力弱，无法满足扩散焊的基本条件，即扩散焊是靠原子长时间的相互扩散、相互渗透来实现冶金结合的焊接方法。第三，镁合金的熔点限制了扩散焊温度的提高，同时为避免镁合金晶粒的严重长大，扩散焊温度应低于500℃，在这一温度限制下，钛合金中钛原子的自扩散系数较小，无法满足镁合金与钛合金直接接触扩散焊对原子运动能力的要求。
发明内容
为了克服现有技术无法实现镁合金与钛合金焊接的不足，本发明提供一种镁合金与钛合金扩散焊接方法，可实现镁合金与钛合金的高强度连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种镁合金与钛合金扩散焊接方法，包括下述步骤：
1)根据镁合金与钛合金的特性，选择Al箔作为镁合金与钛合金的焊接中间层，并清洁处理镁合金与钛合金的焊接面以及Al箔中间层；
2)将Al箔中间层置于镁合金与钛合金之间，并放置于真空扩散焊炉内上压头和下压头之间，在压头与镁合金、压头与钛合金之间放置阻焊层，施加预压力压实；
3)当真空度优于4.0×10-3Pa时，开始加热，当加热到200℃时保温5～10min，并向真空室充入纯度为99.99％的氩气，当真空室压力达到100～220Pa时，关闭充气阀；然后继续升温至450～495℃保温，保温时间为60～180min，并在450～495℃保温过程前30min施加0.3～1MPa轴向压力，之后完全卸除压力，达到保温时间后随炉冷却。
本发明的有益效果是：采用Al箔作为中间层，并利用先真空后充氩的扩散焊方法，实现了镁合金与钛合金的可靠焊接。其中AZ31B镁合金和Ti6Al4V钛合金接头的压剪强度可达到72.4MPa，为AZ31B母材强度的84.2％；接头焊后变形小，可实现镁合金与钛合金的精密连接。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
附图是本发明镁合金与钛合金扩散焊接方法焊接过程装卡示意图
图中，1-上压头；2-镁合金；3-Al箔中间层；5-阻焊层；6-钛合金；7-下压头。
具体实施方式
镁合金与钛合金的连接采用瞬间液相扩散焊在理论上是一种比较理想的选择。因此有必要选择一种中间层金属来满足焊接要求。由于Al与Mg、Ti具有良好的化学亲和性，同时在冶金方面，Al对Mg、Ti合金不是有害元素，所以Al是镁合金、钛合金瞬间液相扩散焊的理想中间层材料。本发明即采用Al箔做中间层材料实现了对镁合金和钛合金的瞬间液相扩散焊接。
真空扩散焊工艺实施包括以下几个步骤：焊前工件表面清理；工件装卡、入炉；真空扩散焊；出炉。其特征是将厚度为20～100μm、纯度为99.9wt.％的铝箔置于被焊的镁、钛合金之间；在真空度优于4.0×10-3Pa的条件下对被焊工件升温；当温度达到200℃时，保温5～10min，并向真空室内充入100～220Pa纯度为99.99％的氩气；然后将温度进一步升至450～495℃，保温60～180min，在保温过程前30min施加0.3～1MPa轴向压力，之后完全卸除压力；保温结束后，随炉冷却。具体过程如下。
焊前工件表面清理：首先采用机械方法将镁合金、钛合金待焊表面加工平整。用粒度1500#的砂纸打磨试样的待焊面；将Al箔与钛合金放入Keller试剂(HF 2ml、HCl 3ml、HNO3 15ml、H2O 190ml)中，浸泡2～4min，将镁合金放入2％硝酸酒精中，浸泡1～2min。然后用去离子水冲洗Al箔、钛合金与镁合金1～2min，并用乙醇超声波清洗3～5min，再转入分析纯乙醇中存放。
工件装卡、入炉：将Al箔置于镁合金与钛合金之间，构造被焊工件。然后被焊工件装入真空炉内，并放置于真空扩散焊炉内上压头和下压头之间，在压头与镁合金、压头与钛合金之间放置阻焊层。施加0.1～0.5MPa的预压力，关闭真空室门，抽真空。
真空扩散焊：当真空度优于2.0～4.0×10-3Pa时，开始加热；当加热到200℃时保温5～10min，并向真空室充入纯度为99.99％的氩气，当真空室压力达到100～220Pa时，停止充氩；然后继续升温至450～495℃保温，保温时间为60～180min，在450～495℃保温过程的前30min施加0.3～1MPa轴向压力，之后完全卸除压力；保温结束后随炉冷却。
实施例1：待焊面积均为600cm2的AZ31B镁合金和Ti6Al4V钛合金的连接。
中间层材料为纯度99.9％、厚30μm的Al箔。焊前用粒度1500#SiC砂纸打磨圆柱体试样的待焊面，TR100粗糙度仪测量表面Ra小于0.2μm后，将Al箔与钛合金放入Keller试剂(HF 2ml、HCl 3ml、HNO3 15ml、H2O 190ml)中，浸泡2min，将AZ31B镁合金放入2％硝酸酒精中，浸泡1min。然后用去离子水冲洗Al箔、钛合金与AZ31B镁合金1min，并用乙醇超声波清洗3min，再转入分析纯乙醇中存放。
组装，组装后各部分的空间顺序为：在压力焊机下压头7上放置阻焊层5，Ti6Al4V钛合金6置于阻焊层5上面，然后放置Al箔中间层3，在Al箔中间层3上面放置AZ31B镁合金2，在AZ31B镁合金2与压力焊机上压头1之间放置阻焊层5。
入炉焊接。在真空度优于4.0×10-3Pa的条件下对被焊工件升温；当温度达到200℃时，保温5min，并向真空室内充入120Pa纯度为99.99％的氩气；然后将温度进一步升至475℃，保温120min，在保温过程前30min施加0.5MPa轴向压力，之后完全卸除压力；保温结束后，随炉冷却。
实施例2：待焊面积均为900cm2的AZ91D镁合金和Ti6Al4V钛合金的连接。
中间层材料为纯度99.9％、厚55μm的Al箔。焊前用粒度1500#SiC砂纸打磨圆柱体试样的待焊面，TR100粗糙度仪测量表面Ra小于0.2μm后，将Al箔与钛合金放入Keller试剂(HF 2ml、HCl 3ml、HNO3 15ml、H2O 190ml)中，浸泡1min，将AZ91D镁合金放入2％硝酸酒精中，浸泡1min。然后用去离子水冲洗Al箔、钛合金与AZ91D镁合金1min，并用乙醇超声波清洗5min，再转入分析纯乙醇中存放。
组装，组装后各部分的空间顺序为：在压力焊机下压头7上放置阻焊层5，Ti6Al4V钛合金6置于阻焊层5上面，然后放置Al箔中间层3，在Al箔中间层3上面放置AZ91D镁合金2，在AZ91D镁合金2与压力焊机上压头1之间放置阻焊层5。
入炉焊接。当真空度达到2.0×10-3Pa时，开始加热，当加热到200℃时，保温8min，并对真空室充入纯度为99.9％的氩气，当真空室压力达到200Pa时，关闭充气阀。然后继续升温至460℃保温，保温时间为150min，保温过程的前30min施加0.8MPa轴向压力，之后卸除压力，达到保温时间后随炉冷却。
实施例3：待焊面积均为900cm2的AZ61A镁合金和Ti6Al4V钛合金的连接。
中间层材料为纯度99.9％、厚60μm的Al箔。焊前用粒度1500#SiC砂纸打磨圆柱体试样的待焊面，TR100粗糙度仪测量表面Ra小于0.2μm后，将Al箔与钛合金放入Keller试剂(HF 2ml、HCl 3ml、HNO3 15ml、H2O 190ml)中，浸泡2min，将AZ61A镁合金放入2％硝酸酒精中，浸泡2min。然后用去离子水冲洗Al箔、钛合金与AZ31B镁合金2min，并用乙醇超声波清洗4min，再转入分析纯乙醇中存放。
组装，组装后各部分的空间顺序为：在压力焊机下压头7上放置阻焊层5，Ti6Al4V钛合金6置于阻焊层5上面，然后放置Al箔中间层3，在Al箔中间层3上面放置AZ61A镁合金2，在AZ61A镁合金2与压力焊机上压头1之间放置阻焊层5。
入炉焊接。在真空度优于3.6×10-3Pa的条件下对被焊工件升温；当温度达到200℃时，保温9min，并向真空室内充入160Pa纯度为99.99％的氩气；然后将温度进一步升至490℃，保温70min，在保温过程前30min施加0.3MPa轴向压力，之后完全卸除压力；保温结束后，随炉冷却。
Claims (1)
1、一种镁合金与钛合金扩散焊接方法，包括下述步骤：
1)根据镁合金与钛合金的特性，选择Al箔作为镁合金与钛合金的焊接中间层，并清洁处理镁合金与钛合金的焊接面以及Al箔中间层；
2)将Al箔中间层置于镁合金与钛合金之间，并放置于真空扩散焊炉内上压头和下压头之间，在压头与镁合金、压头与钛合金之间放置阻焊层，施加预压力压实；
3)当真空度优于4.0×10-3Pa时，开始加热，当加热到200℃时保温5～10min，并向真空室充入纯度为99.99％的氩气，当真空室压力达到100～220Pa时，关闭充气阀；然后继续升温至450～495℃保温，保温时间为60～180min，并在450～495℃保温过程前30min施加0.3～1MPa轴向压力，之后完全卸除压力，达到保温时间后随炉冷却。
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