一种钛合金固相连接工艺的制作方法

文档序号:9443802阅读:821来源:国知局
一种钛合金固相连接工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钛合金固相连接工艺。
【背景技术】
[0002]钛合金作为一种新型结构材料,近年来得到普遍重视,用量呈现大幅度增加的趋势,被广泛应用于航天航空、石油化工、舰船、汽车、医疗、文体等领域。在先进飞机上,钛合金获得了大量应用。目前,世界各国的高速飞机都广泛地采用钛合金作为结构材料。各种飞机零件,小至螺钉、螺母等连接件,大至机身骨架、隔框等结构件,部可以用钛合金来制造。甚至,长达6米、重达2吨的飞机起落架主支撑梁也可以用钛合金制造。如苏一 27飞机上各种钛合金零件占飞机结构重量的15%,美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构莺鼍的比例分别高达24%和27%,第四代战斗机F-22上钛合金用量已达41 %,而素有“全钛飞机”之称的美国YF-12A战斗机是当前世界上应用钛合金数量最多的机种,全机结构的93%用钛合金制造。钛合金的优点也适合航空发动机设计的需要。在航空发动机上,钛合金已部分取代铝合金、镁合金及钢铁材料。目前,先进航空发动机的压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造,已实现压气机全钛化方案。随着飞机性能的不断提高与钛合金零件加工工艺的不断改进,可以预料钛合金在航空航天材料中将占有更加重要的位置。
[0003]除航天航空领域外,钛及钛合金应用最广泛并且已见成效的地方主要是石油化工行业,特别是对纯钛的应用。应用范围包括各类储运容器、反应釜、过滤器、分离器、换热器、塔器、搅拌器及各种管、栗、阀、板、件等。在欧洲几个主要的发达国家,钛合金在化工领域的用量占到钛合金生产总量的40%左右,而在日本,约80%以上的钛合金应用于该领域。
[0004]在舰船领域,由于钛合金优良的耐海水腐蚀性能、无磁性等特点,其应用十分广泛。俄罗斯采用钛合金作为核潜艇的耐压材料,使潜艇的安全可靠性得以大大提高、设备体积缩小、重最减轻,从而增加了潜艇的有效载重鼍,减小了海水系统设备破损事故和维修保养次数,延长了使用寿命,提高战术技术性能。美国也成功地将钛合金用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船,其船用部位有海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器和轴、弹簧、航母上的消防设备等。我国也已成功地将钛合金应用在鱼雷发射装置液压水缸、危急冷却器、栗、阀及管道系统等方面。
[0005]在新一代汽车设计中,减轻重量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动是设计者们考虑的藿要因素。作为轻合金的钛合金由于其密度小、比强度和比刚度高,将会被更多的设计人员选用。预计,到2006年,我国仅汽车、摩托车用钛总量就将达到5000吨。随着钛合金的成本降低(连铸、连乳等低成本工艺的开发和应用),钛合金将在汽车工业中占有越来越重要的地位。
[0006]在生物医学上,由于钛合金无毒、耐蚀、质轻且强度高,是{乍常理想的医用金属材料,被广泛用作手术器械和植入人体的植入物,如人造髋关节、膝关节等”。
[0007]在文体用品领域,钛合金正以极高的速度进入市场,并已经形成一定的规模。其中以比赛用自行车和高尔夫球头最具代表性。钛制自行车质轻、强度高且防震性能优越,几乎所有的比赛用自行车都已采用钛材。而高尔夫球头选用钛合金制造后,具有接触球面大、重量轻、易于控制、易击中目标等优点。
[0008]对电子行业而言,钛合金无磁性、无毒,是传感器的理想材料。此外,笔记本电脑、手机、照相机、钓鱼用具、眼镜架等己越来越多地采用钛合金材料。钛足我国矿藏资源较为丰富的元素。开发钛金属的应用领域,对提高我国的资源利用率和国际地位,具有十分蘑要的意义。多年来,我国海绵钛和钛加工材的产能和产量均在3000吨/年以下,与美、日、俄等国有数级的差距,仅占世界总产量的3%?5%。这种状况与中国作为世界钢铁大国的状况相比,形成了鲜明的反差,我国的钛/钢比、钛,有色金属比,均低于世界平均水平。因此。尽快解决钛合金材料表面性能较低的缺陷,将极大地推动钛合金的应用,其意义十分重大。
[0009]作为一种新型的结构材料,钛合金也具有一些性能上的缺点。首先,钛合金的摩擦系数高,耐磨性差,对粘着磨损和微动磨损{F常敏感,其表面容易划伤、啮合、咬死等。在550"C以下,钛合金表面能在大气中形成致密且与摹体紧密结合的氧化膜,起到良好的保护作用。但当使用温度超过550"C时,氧化膜开始被摹体金属吸收,此时基体金属钛便能与大气中的氧、氮等气体发生强烈反应,甚至着火燃烧,从而造成基体金属的严重污染,并使金属迅速脆化,使工件无法使用。此外,钛合金还具有与生物骨组织的生物相容性差以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点,这些缺点都严重制约着钛合金的应用。
[0010]材料的许多性能往律取决于材料的表面性能,钛合金亦是如此。由于摩擦、磨损、高温氧化等失效行为以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点均起源于钛合金表面,并由其表面的物理、化学性能所决定,因此,提高钛合金关键零部件的耐磨性能、抗高温氧化性能以及生物力学相容性等“表面性能”,成为钛合金应用研制进程中必须攻克的重要课题。
[0011]钛合金具有许多优异的性能,应用面越来越广,对其存在的表面性能较差的状况,
[0012]也已引起越来越多工程技术人员的高度重视,并开发了多种工艺技术以解决这一问题。
[0013]但这些方法不同程度地存在一些不足,影响了它们的应用范围。目前,钛合金常用的表面强化方法主要有以下几种:
[0014]离子注入是将注入元素离子化后,在电场中获得高能量,强行注入材料表面,从而改变其性能。钛合金表面主要的注入离子。离子注入最大的特点是原子与基材间呈原子级混合,不会出现剥落等现象;同时,离子注入可在常温下进行,工件不会发生变形。但是,因离子注入能量的制约,强化层很浅,这对该技术的应用带来许多限制。
[0015]离子渗氮是钛合金表面改性的一种较好工艺。通过4h左右的离子渗氮处理,可在钛材表面获得一层0.2?0.3mm的渗氮层,表面硬度可达1000HV以上。钛合金离子渗氮层硬度高、抗疲劳性能好,但离子渗氮处理温度较高,一般都超过了 800〃C,因而工件的变形在所难免,对薄壁件、长杆件和大型件较难实施。双层辉光离子渗金属是利用离子轰击的原理,将一种或多种金属元素渗入工件表层的工艺技术,通过2?4h的处理,可获得合金化层,有效地提高钛合金表面的耐磨、耐蚀及疲劳性能。但是,由于金属元素向内扩散的需要,双层辉光离子渗金属处理必须在830?1000°C的高温下进行,必然会引起工件变形,而较薄的合金化层,不可能留出后续机加工的余量;其次,受渗入元素在钛基体中溶解度的影响,合金成分的设计受到限制,从而影响性能的进一步提高;另外,双层辉光离子渗金属处理的金属元素来源于金属靶(源极),加工过程中存在明显的视线效应,对形状较复杂的工件难以做到所有面均匀强化,对内孔还会产生空心阴极效应,使工件过热。

【发明内容】

[0016]本发明的目的在于提出一种钛合金固相连接工艺。
[0017]为达此目的,本发明采用以下技术方案:
[0018]一种钛合金固相连接工艺,其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后,采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术,然后对钛合金经过后续精加工,最终成型,包括:模锻件一一热处理一一粗车一一平磨一一超声波清洗一一热处理一一激光焊和电弧焊复合焊接一一机械清理焊缝一一精加工一一成型。激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率2KW——6KW,离焦量-0.8---1.5mm,激光热源和电弧热源之间的距离0.5——3mm,焊接速度为500--800mm/min,填丝速度为2--5mm/min,焊接电流100A--160A,保护气体为高纯氩气,流量为10——13L/min。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]—种钛合金固相连接工艺,其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后,采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术,然后对钛合金经过后续精加工,最终成型,包括:模锻件一一热处理一一粗车一一平磨一一超声波清洗一一热处理一一激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。钛合金为TC4,形状为10mmX 200mmX 7mm板材,激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率5KW,离焦量-1.5_,激光热源和电弧热源之间的距离1.2mm,焊接速度为500mm/min,填丝速度为5mm/min,焊接电流130A,保护气体为高纯氩气,流量为13L/min。
[0021]实施例2
[0022]一种钛合金固相连接工艺,其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后,采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术,然后对钛合金经过后续精加工,最终成型,包括:模锻件一一热处理一一粗车一一平磨一一超声波清洗一一热处理一一激光焊和电弧焊复合焊接机械清理焊缝精加工成型。钦合金为TC18,形状为30mm管材,厚度为4mm,激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率2KW,离焦量-0.9mm,激光热源和电弧热源之间的距离1.2mm,焊接速度为300mm/min,填丝速度为3mm/min,焊接电流1000A,保护气体为高纯氩气,流量为10L/min,经过该工艺处理后,焊点处的结合强度高,钛合金的总体力学性能良好。
【主权项】
1.一种钛合金固相连接工艺,其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后,采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术,然后对钛合金经过后续精加工,最终成型,包括:模锻件一一热处理一一粗车一一平磨一一超声波清洗一一热处理一一激光焊和电弧焊复合焊接一一机械清理焊缝一一精加工一一成型。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率500W——1.5KW,离焦量-0.8---1.5mm,激光热源和电弧热源之间的距离0.5--3mm,焊接速度为500--800mm/min,填丝速度为2--5mm/min,焊接电流100A——160A,保护气体为高纯氩气,流量为10——13L/min。
【专利摘要】本发明公开了一种钛合金固相连接工艺,其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后,采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术,然后对钛合金经过后续精加工,最终成型,包括:模锻件——热处理——粗车——平磨——超声波清洗——热处理——激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率2KW——6KW,离焦量-0.8--1.5mm,激光热源和电弧热源之间的距离0.5-3mm,焊接速度为500-800mm/min,填丝速度为2-5mm/min,焊接电流100A-160A,保护气体为高纯氩气,流量为10-13L/min。该发明也用于焊接钛合金板材、管件和锥形件等其他异形件,焊接效率高,焊点处的力学性能好,适合于大规模批量生产。
【IPC分类】B23K26/32, B23P15/00, B23K26/348
【公开号】CN105195897
【申请号】CN201510718106
【发明人】沈秋
【申请人】无锡桥阳机械制造有限公司
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月29日
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