专利名称：一种低温真空扩散连接钛合金的方法
技术领域：
本发明属于钛合金连接技术领域，涉及一种真空扩散连接钬合金的 工艺方法。
背景技术：
钛合金具有比强度髙、密度小、耐高温、韧性好、抗疲劳性能和抗 腐蚀性能优良等优点，广泛应用于航空、航天、核工业、石油、化工等 领域。随着科学技术的发展，具备高性能的钛合金新材料和特殊使用要 求的精密钛合金构件不断涌现，这对现有的连接技术提出了严峻的考 验，发展新的连接方法大有必要。扩散连接是钛合金连接的常用方式之 一，靠高温下材料表面的局部塑性变形使接触面之间贴紧来保障连接材 料表层上原子的互扩散，从而形成整体接头。但由于一般扩散连接温度 较高，在某种程度上限制了这种连接工艺的实际应用。固体薄膜材料尤 其是纳米薄膜，在厚度这一特定方向上，尺寸很小，只是微观可测的量， 而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断， 由此对物性产生各种各样的影响。例如，由于表面能的影响使熔点降低 等等。本发明提出以薄膜作为扩散连接的中间层，利用其较大的表面能 可以在较低的温度下实现连接。磁控溅射是一种常用的薄膜制备手段， 制得的薄膜与基体具有良好的结合力、膜层致密均匀，薄膜晶粒度可达 纳米量级。
发明内容
本发明目的在于提供一种在较低的温度下实现钛合金连接的一种 低温真空扩散连接钛合金的方法。
本发明的技术方案是包括下述工艺步骤
(1) 对待连接件进行表面处理，先用200#、 400#、 600弁、800#、 1000#、 2000#金相砂纸逐级磨光，再根据需要选择是否进行机械抛光， 最后放在丙酮溶液中进行超声波清洗；
(2) 通过磁控溅射设备在待连接件表面沉积钛基薄膜，薄膜厚度 为0.05~10|im，晶粒度为纳米量级；(3)放入真空扩散炉内，以10°C/min的升温速率加热，在温度为 500~800°C、压力为5 25MPa下恒压保温l 2h实现钛合金的连接。 待连接件表面沉积的钛基薄膜为单层或多层结构。 待连接件表面沉积的钛基薄膜由高纯钛靶或钛合金靶经磁控溅射 制得。
在待连接件表面沉积薄膜时,采用在加热或室温下进行磁控溅射。 本发明的优点是-.
釆用本发明可在低于常规扩散连接温度100 20(TC条件下实现钬合 金的连接，并且连接接头具有一定的强度。连接过程在一般真空扩散炉 内即可进行，无需保护气氛，工艺简单易行。
具体实施例方式
(1) 对待连接件进行表面处理，先用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂纸逐级磨光，再根据需要选择是否进行机械抛光， 最后放在丙酮溶液中进行超声波清洗。
(2) 在待连接件表面沉积钛基薄膜，通过磁控溅射沉积高纯钛靶 或钛基合金纳米薄膜，薄膜厚度为0.05 10pm;待连接件表面沉积的钛 基薄膜为单层或多层结构；釆用磁控溅射在待连接件表面沉积钛基薄膜
时根据需要选择采用对待连接件进行加热的方法。
(3) 放入真空扩散炉内，以10°C/min的升温速率加热，在温度为 500~800°C、压力为5 25MPa下恒压保温1 2h实现钛合金的连接。
U)连接结東后，连接件随炉冷却降温至15(TC卸载，降温至室温 时取出。
实施例一
将待连接的TA15钛合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂纸逐级磨光，然后放在丙酮溶液中进行超声波清洗。釆用 纯度>99.995% (重量)的高纯钛靶经JCK-500型磁控溅射台在两个待 连接的TA15钛合金表面沉积钛薄膜，厚度约为ljmi。将待连接件对接 好放入真空扩散炉内并对其施加适当压力，当炉内真空度达到 1.7xl0，a时开始以10°C/min的升温速率进行加热同时调节压力大小， 在温度为700°C、压力为lOMPa下恒压保温lh进行扩散连接。连接结 東后，连接件随炉冷却降温至150。C卸载，降温至室温时取出。用扫描 电镜观察连接接头的组织形貌可见，中间层钛薄膜与TA15钛合金母材 基体结合良好，连接接头致密无孔洞，具有一定的连接强度。 实施例二
将待连接的TC4钛合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂纸逐级磨光，然后放在丙酮溶液中进行超声波清洗。采用 TA15合金靶经JCK-500型磁控溅射台在两个待连接件表面沉积，厚度 约为2pm。将连接面覆有薄膜的待连接件对接好放入真空扩散炉内并对 其施加适当压力，当炉内真空度达到2.0xl(T3Pa时开始以1(TC/min的升 温速率进行加热同时调节压力大小，在温度为70(TC、压力为10MPa下 恒压保温2h进行扩散连接。连接结束后，连接件随炉冷却降温至150°C 卸载，降温至室温时取出。用扫描电镜观察连接接头的组织形貌，可以 观察到薄膜与TC4钛合金母材基体结合良好，连接接头致密无孔洞，具 有一定的连接强度。
实施例三
将待连接的TA15钛合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂纸逐级磨光，然后放在丙酮溶液中进行超声波清洗。采用 纯度>99.995% (重量)的高纯钛靶和TA15合金乾，经JCK-500型磁控 溅射台在两个待连接件表面沉积TA15/Ti多层膜。首先在待连接件表面 沉积纯钛膜，厚度约为0.25pm左右。然后沉积TA15膜，厚度约为l)im 左右。最后再沉积一层纯钛膜，厚度约为0.25|im左右。沉积完毕将待 连接件对接好放入真空扩散炉内并对其施加适当压力，当炉内真空度达 到1.9xlO—3Pa时开始以10°C/min的升温速率进行加热同时调节压力大 小，在温度为700°C、压力为lOMPa下恒压保温lh进行扩散连接。连 接结束后，连接件随炉冷却降温至150。C卸载，降温至室温时取出。用 扫描电镜观察连接接头的组织形貌可见，薄膜与TA15钛合金母材基体 结合良好，连接接头致密无孔洞，具有一定的连接强度。
实施例四
将待连接的TC4钛合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、
2000#金相砂纸逐级磨光，然后放在丙酮溶液中进行超声波清洗。釆用 纯度>99.995% (重量)的高纯钬靶经JCK-500型磁控溅射台在两个待 连接的TC4钛合金表面沉积钛薄膜。沉积薄膜前对待连接件进行加热，
加热温度为200°C,温度均匀后开始沉积薄膜，厚度约为1.5pm。将连 接面覆有薄膜的待连接件对接好放入真空扩散炉内并对其施加适当压 力，当炉内真空度达到2.2xl0,a时开始以1(TC/min的升温速率进行加 热同时调节压力大小，在温度为70(TC、压力为10MPa下恒压保温lh 进行扩散连接(请依合金酌情调整)。连接结東后，连接件随炉冷却降 温至15(TC卸载，降温至室温时取出。用扫描电镜观察连接接头的组织 形貌可见，中间层钛薄膜与TC4钛合金母材基体结合良好，连接接头致 密无孔洞，具有一定的连接强度。
权利要求
1. 一种低温真空扩散连接钛合金的方法，其特征在于，包括下述工艺步骤(1)对待连接件进行表面处理，先用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂纸逐级磨光，再根据需要选择是否进行机械抛光，最后放在丙酮溶液中进行超声波清洗；(2)通过磁控溅射设备在待连接件表面沉积钛基薄膜，薄膜厚度为0.05～10μm，晶粒度为纳米量级；(3)放入真空扩散炉内，以10℃/min的升温速率加热，在温度为500～800℃、压力为5～25MPa下恒压保温1～2h实现钛合金的连接。
2. 根据权利要求1所述的一种低温真空扩散连接钛合金的新方法， 其特征在于，待连接件表面沉积的钛基薄膜为单层或多层结构。
3. 根据权利要求1所述的一种低温真空扩散连接钛合金的新方法， 其特征在于，待连接件表面沉积的钛基薄膜由高纯钛靶或钛合金靶经磁 控溅射制得。
4. 根据权利要求1所述的一种低温真空扩散连接钛合金的新方法， 其特征在于，在待连接件表面沉积薄膜时，釆用在加热或室温下进行磁 控溅射。
全文摘要
本发明属于钛合金连接技术领域。为了发展新的钛合金连接方法，降低扩散连接温度，本发明提出采用磁控溅射设备在待连接件表面沉积钛基薄膜作为连接中间层进行钛合金的真空扩散连接新方法。磁控溅射制得的薄膜与钛合金基体具有良好的结合力，膜层致密均匀，厚度在0.05～10μm之间，晶粒度可达纳米量级，具有较大的表面能，可以在低于常规扩散连接温度100～200℃条件下实现钛合金的连接，并且连接接头具有一定的强度。连接过程在一般真空扩散炉内即可实现，无需保护气氛，工艺简单易行。
文档编号C23C14/35GK101392363SQ200810172468
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者雷 叶, 欣 吴, 媛 周, 李晓红, 唯 毛, 熊华平, 程耀永, 波 陈 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院