一种钛合金/钢双金属复合件及其制备方法与流程

本发明涉及双金属复合材料领域，具体涉及一种钛合金/钢双金属复合件及其制备方法。

背景技术：

轻量化及高性能已成为新材料发展的一个趋势。随着工业的发展，单一的材料或合金已很难满足现代生产对材料综合性能的需求。双金属复合材料因具备两种金属材料的优良性能，可解决单一材料无法满足的高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温等综合性能问题，近年来正在吸引着越来越多研究者的注意。

钢质材料具有高强度、耐高温、韧性和疲劳强度高等特性，目前仍是许多重要部件的首选材料品种；钛合金材料具有耐蚀性好、耐热性好、轻质等特点，但其熔点较高而且极易与其他合金发生反应生成金属间化合物，导致钛合金与其他合金构成的铸件的脆性大大提升，限制了其在某些领域的应用。

以航空航天领域用某类转子部件为例，其采用钛合金/钢双金属复合形式，为获得高强度、高韧性、轻质、耐高温、耐腐蚀等综合性能，钛合金和钢以铆接方式结合，这种结合方式虽可以保证双金属复合的可靠性，但工件的整体加工过程复杂、效率低且成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛合金/钢双金属复合件，以解决现有双金属复合件的结合方式复杂的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种钛合金/钢双金属复合件的制备方法，以解决铆接方式制备的双金属复合件的加工过程复杂、效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的钛合金/钢双金属复合件所采用的技术方案是：

一种钛合金/钢双金属复合件，包括钢质内芯和具有内腔的钛合金外套，钢质内芯具有嵌入钛合金外套的内腔中的内镶嵌部，所述内镶嵌部上开设有连通孔，所述连通孔具有第一、二孔口，所述第一、二孔口分别处于钢质内芯表面的第一、二位置处；所述钛合金外套的内腔的腔壁面包括与内镶嵌部的外表面复合的外表面复合部，所述外表面复合部具有与钢质内芯表面的第一、二位置分别对应复合在一起的第一、二壁面，钛合金外套还包括位于所述连通孔内且与连通孔的孔腔结构相应的连通筋复合部，外表面复合部的第一、二壁面和连通筋复合部铸造成一体结构。

本发明提供的钛合金/钢双金属复合件，钢质内芯的内镶嵌部嵌入钛合金外套内，钛合金外套通过外表面复合部和连通筋复合部与内镶嵌部形成扣合结构，以内镶嵌和扣合复合形式实现钛合金和钢的可靠结合；这种结合方式可利用钛合金的铸造方便实现，钛合金和钢的连接结构得以简化，有利于提升生产效率，降低加工成本。

为进一步简化钛合金与钢的结合形式，方便实际转子部件的铸造，优选的，所述内镶嵌部为内镶嵌板，所述连通孔沿厚度方向贯穿所述内镶嵌板，所述第一、二孔口位于内镶嵌板的前、后表面，所述钛合金外套的内腔具有前、后壁面，所述连通筋复合部前后延伸，连通筋复合部前、后两端从内镶嵌板的前、后表面伸出并与所述钛合金外套的内腔的前、后壁面一体连接。

为进一步提高钛合金与钢的结合强度，优选的，在内镶嵌板的长度方向上间隔开设有多个连通孔组，各连通孔组均包括多个沿内镶嵌板的宽度方向间隔布置的所述连通孔。

本发明的钛合金/钢双金属复合件的制备方法所采用的技术方案是：

一种钛合金/钢双金属复合件的制备方法，包括以下步骤：

1)组装钢质内芯和铸型，所述铸型的型腔的表面与钢质内芯表面之间留有浇注间隙；所述钢质内芯具有用于嵌入钛合金外套的内腔中的内镶嵌部，内镶嵌部上开设有连通孔，所述连通孔具有第一、二孔口，所述第一、二孔口分别处于钢质内芯表面的第一、二位置处且与所述铸型的型腔相通；

2)向铸型的型腔中浇注钛合金熔液，钛合金熔液进入所述浇注间隙经冷却凝固以形成套在钢质内芯外部的钛合金外套，钛合金外套的内腔的腔壁面包括与内镶嵌部的外表面复合的外表面复合部，所述外表面复合部具有与钢质内芯表面的第一、二位置分别对应复合在一起的第一、二壁面；所述钛合金熔液还同时进入所述连通孔中形成连通筋复合部，经冷却凝固，外表面复合部的第一、二壁面和连通筋复合部铸造成一体结构，即得坯体。

本发明提供的钛合金/钢双金属复合件的制备方法，通过铸造方法实现钛合金、钢的一体化成型，利用钛合金熔液凝固时的收缩可使钛合金很好的紧固在钢质内芯的表面，实现良好的机械结合，避免钛合金与钢发生反应生成金属间化合物而影响铸件的脆性；该制备方法的复合过程简单，可有效提高工件的生产效率。

为进一步降低铸造过程中存在的内部缩孔等缺陷，优选的，将坯体进行热等静压处理，所述热等静压处理的加热温度为920±10℃、压力为100～140mpa、保温时间为2～2.5h。

为进一步消除铸件缺陷，提高成品质量，进一步优选的，坯体经所述热等静压处理后进行缺陷检测，对检测到的缺陷进行修复。

对航空航天领域用该类转子部件而言，芯轴部位要求具有高强度、耐高温的特性，其他部位要求具有耐高温、轻质、耐腐蚀等特点，为获得更好的耐高温性和综合力学性能，优选的，钢质内芯所用钢材料的最高工作温度≥760℃，钛合金外套所用钛合金材料的最高工作温度≤550℃，钢材料的最高工作温度高于钛合金材料的最高工作温度。

附图说明

图1为本发明的钛合金/钢双金属复合件实施例的结构示意图；

图2为本发明的钛合金/钢双金属复合件实施例中钛合金内芯的结构示意图；

图3为本发明的钛合金/钢双金属复合件实施例中钛合金内芯的剖面图；

图4为本发明的钛合金/钢双金属复合件的制备方法实施例的铸型组件示意图；

图中，1-钢质内芯，2-钛合金外套，3-内镶嵌板，4-外基板，5-通孔，6-铸型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的钛合金/钢双金属复合件的具体实施例，如图1至图3所示，包括钢质内芯1和具有内腔的钛合金外套2，钢质内芯1为长度沿上下方向延伸的板状结构，包括嵌于钛合金外套2的内腔中的内镶嵌板3和连接于内镶嵌板3下端的外基板4，内镶嵌板3的前、后表面位于外基板4的前、后表面以内，内镶嵌板3上沿其长度方向间隔设置有两个通孔组，各通孔组均包括沿内镶嵌板3的宽度方向均匀间隔布置的多个沿厚度方向(前后方向)开设的通孔5。通孔5具有第一、二孔口，第一、二孔口分别处于内镶嵌板3的前、后表面。

钛合金外套2为具有内腔的半圆形板状结构，钛合金外套2的内腔的腔壁面包括与内镶嵌板3复合的复合部，复合部包括与内镶嵌板3的外表面复合的外表面复合部，以及位于通孔5内且结构与通孔5的孔腔结构相应的连通筋复合部，连通筋复合部前后延伸，连通筋复合部的前、后两端分别从内镶嵌板3的前、后表面伸出并与钛合金外套2的内腔的前、后壁面铸造成一体结构。

钢质内芯1的外基板4的下端还连接有前、后表面位于内镶嵌板3的前、表表面以内的安装头，钛合金外套2上开设有外基板定位槽，外基板4的厚度与钛合金外套2的厚度相等，外基板4的下表面与钛合金外套2的下表面平齐。

本发明的钛合金/钢双金属复合件的其他实施例中，钢质内芯1不限于板状结构，其可以为柱形结构，可以沿柱形结构的径向方向开设前后贯通的通孔；通孔的贯穿形式不限于前后贯通，其能够连通外表面复合部的对应部位即可，如可在柱形钢质内芯的某一径向截面上，沿不同的径向方向开设底部在轴线处连通的折线形连通孔。

本发明的钛合金/钢双金属复合件的制备方法的具体实施例，采用以下步骤：

1)按设计要求加工钢质内芯1，钢质内芯1所使用的材料为经过调质处理的gh4169合金，表面粗糙度ra≤1.6μm。

2)选用石墨作为铸型材料，按双金属复合件的形状将石墨加工成铸型6；将钢质内芯1的表面用酒精清洗干净，之后与铸型6组合，得到铸型组件(如图4所示)；所述铸型6的型腔的表面与钢质内芯表面之间留有浇注间隙；所述钢质内芯1具有用于嵌入钛合金外套2的内腔中的内镶嵌部，内镶嵌部上开设有连通孔，所述连通孔具有第一、二孔口，所述第一、二孔口分别处于钢质内芯表面的第一、二位置处且与所述铸型6的型腔相通。

3)通过真空自耗电弧熔炼将钛合金(型号为ta15)熔化，得到钛合金熔液；

在除气炉中对铸型组件进行除气、预热，然后将钛合金熔液浇注到铸型组件的型腔中，钛合金熔液进入所述浇注间隙经冷却凝固以形成套在钢质内芯1外部的钛合金外套2，钛合金外套2的内腔的腔壁面包括与内镶嵌部的外表面复合的外表面复合部，所述外表面复合部具有与钢质内芯表面的第一、二位置分别对应复合在一起的第一、二壁面；所述钛合金熔液还同时进入所述连通孔中形成连通筋复合部，经冷却凝固，外表面复合部的第一、二壁面和连通筋复合部铸造成一体结构，即得坯体，坯体上具有位于钛合金外套2上端的自上而下浇注形成的浇冒口。

4)将坯体清理、修整后进行热等静压处理(加热温度为920℃、压力为120mpa、保温时间为2h)，之后使用x射线探伤及荧光检测，检查工件的内外部质量，如有缺陷，利用真空氩弧焊方式进行缺陷修复，即得合格成品。

在本发明的钛合金/钢双金属复合件的制备方法的其他实施例中，钢质内芯1所使用的钢材料可选择型号为gh128、gh4220、gh4698等高温合金，钛合金外套2所使用的钛合金材料可以为tc4、ta5、ta2等，然后按照以上制备方法制备得到相应材质的钛合金/钢双金属复合件。热等静压处理条件可根据工件材质、大小等实际情况进行灵活调整。