一种采用Ti箔作中间层的扩散焊连接方法与流程

本发明是一种采用ti箔作中间层的扩散焊连接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

钛铝金属间化合物具有低的密度，高的比强度、比刚度，良好的抗氧化性，抗蠕变、抗疲劳性能好等优点，是未来最具应用潜力的航空航天用轻质高温结构材料之一。在钛铝金属间化合物中，tial合金、ti2alnb合金或ti3al基合金的研究受到重视，tial合金的工作温度可以达到760℃～850℃，ti2alnb合金或ti3al基合金的工作温度可以达到700℃。与普通钛合金相比，tial合金、ti2alnb合金或ti3al基合金可以在更高的温度下服役；与高温合金相比，它们有较低的密度，大约是高温合金的一半，应用在航空航天领域，可以得到大幅的减重效果，应用在汽车工业领域，可以实现零部件的轻量化设计与制造。但从成本和工艺可靠性上来讲，某些零部件整体采用tial合金来制备的难度很大，目前的tial合金室温塑性较低，变形能力较差，而相对来说，ti2alnb合金或ti3al基合金的可加工性较好。如果能够实现tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的良好连接，tial合金用在工作温度较高的部位，ti2alnb合金或ti3al基合金用在服役温度较低的部位，就可以发挥两种材料各自的性能优势。比如航空发动机中的整体叶盘，就可以采用tial合金制作叶片，采用ti2alnb合金或ti3al基合金制作盘件，但这首先要解决两种材料的异种连接问题。

目前关于tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金异种连接的研究报道还较少。有研究人员进行了tial合金与ti2alnb合金的无中间层扩散焊研究，连接区域形成了al(nb,ti)2和α2-ti3al等化合物，接头室温剪切强度为260mpa，有待提高(j.y.zou,etal.diffusionbondingofdissimilarintermetallicalloysbasedonti2alnbandtial[j].journalofmaterialsscienceandtechnology,2009,25:819–824.)。采用钛基钎料钎焊连接或加压液相扩散连接tial合金与ti3al基合金时，引入了杂质元素，可能会影响接头性能的热稳定性，这些接头的高温性能普遍较低，而且制备钛基钎料成本较高(h.s.ren,etal.vacuumbrazingofti3al-basedalloytotialusingtizrcuni(co)fillers.journalofmaterialsprocessingtechnology,2015224:26–32；h.s.ren,etal.transientliquidphasediffusionbondingofti–24al–15nb–1moalloytotialintermetallics.materialsscience&engineeringa,2016,651:45–54.)。此外，专利(cn101073850a)介绍了一种tial合金与ti3al基合金异种材料电子束焊接热循环复合控制的方法，但该方法仅仅解决了在电子束焊接时tial合金侧容易产生裂纹的问题，接头性能不可知。专利(cn106808079a)发明了一种扩散连接tial合金与ti2alnb合金的方法，该方法没有使用中间层，而是直接进行两种材料的扩散焊，该方法需要加载很大(30mpa)的轴向压力，增加了焊接难度，而且没有说明通过该方法获得的接头强度数值。综上所述，目前国内外关于tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金异种连接的研究报道还非常有限。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种采用ti箔作中间层的扩散焊连接方法，该方法针对tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的连接，其目的是获得无连续脆性反应层的连接界面，实现两种母材的高强度连接。

本发明的技术解决方案是：

该种采用ti箔作中间层的扩散焊连接方法是针对tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的连接，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、采用线切割将tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材；

步骤二、将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材和厚度为10～30μm的ti箔放入丙酮中超声清洗3～10min；

步骤三、将ti箔放置于tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的待焊面之间，然后置于真空加热炉中，并施加5～30mpa的压力，当真空加热炉中的真空度达到9×10^-2～1×10^-3pa后开始通电加热，加热速率为5～15℃/min，加热至850℃～1050℃时在该温度下保温0.5～2h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，然后随炉冷至室温，即完成tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的连接。

进一步，所述ti箔的厚度为15～20μm。

进一步，步骤三中所施加的压力为10～20mpa。

进一步，步骤三中所述的真空加热炉中的真空度达到1×10^-3pa后开始通电加热。

进一步，步骤三中所述的加热速率为10℃/min。

进一步，步骤三中所述的加热温度为950℃并在该温度下保温1h。

进一步，步骤三中所述的冷却速率为10℃/min。

进一步，步骤三中所述的随炉冷却的起始温度为500℃。

本发明技术方案具有如下优点：

(1)ti是两种被焊母材的主要构成元素，本发明采用ti箔作中间层避免了在tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的连接过程中引入其它杂质元素，保证了组合接头成分、性能的稳定性；此外，tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金之间的焊接属于异种材料的扩散焊，由于两种母材在热膨胀系数等物理化学性能方面的差异，在焊接热循环过程中容易产生内应力，进而影响焊接效果，本发明采用的中间层ti箔具有较好的韧性，可以缓解接头中的内应力，有利于保证接头性能；

(2)本发明所述的ti2alnb合金或ti3al基合金的固溶处理温度一般在980℃～1050℃，当焊接温度高于该固溶处理温度并保温时间超过1h时会损害母材的组织和性能。但焊接温度过低或保温时间过短时，ti箔中间层在接头中可能会有残留，残留的ti箔中间层不利于保证接头的高温力学性能。因此，本发明所用ti箔中间层较薄(10～30μm)，可以保证在一定的焊接条件下ti箔充分与母材反应，接头中无残留ti箔存在，保证接头组织的均匀化，进而实现接头具有良好的高温力学性能；

(3)两种母材的热膨胀系数存在差异，如果保温结束后就停止加热，那么快的冷却速度会导致两种母材的变形量有较大差异，容易在接头中导致裂纹萌生。所以，在本发明中，当保温结束后，通过程序控制接头的冷却速度，当接头温度降至400℃～500℃时，开始随炉冷却，此时随炉冷却的降温速率已经降低到较慢的程度，从而保证获得无缺陷的接头。

(4)本发明获得tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的异种接头室温抗拉强度可以达到380mpa～410mpa，650℃高温抗拉强度可以达到350mpa～370mpa。

附图说明

图1为以10μm厚度的ti箔为中间层获得的ti2alnb/tial扩散焊接头的显微组织照片。

图2为以30μm厚度的ti箔为中间层获得的ti2alnb/tial扩散焊接头的显微组织照片。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例一

本实施例是采用ti箔作中间层扩散焊连接tial合金与ti2alnb合金，该方法的步骤为：

步骤一、采用线切割将tial合金与ti2alnb合金加工成所需的尺寸，得到被焊母材；

步骤二、将被焊母材的待焊面用砂纸打磨后，进行抛光处理，将抛光后的被焊母材和厚度为10～30μm的ti箔放入丙酮中超声清洗3～10min；

步骤三、将ti箔放置于tial合金与ti2alnb合金的待焊面之间，然后置于真空加热炉中，并施加5～30mpa的压力，当真空加热炉中的真空度达到9×10^-2～1×10^-3pa后开始通电加热，加热速率为5～15℃/min，加热至850℃～1050℃时在该温度下保温0.5～2h，再以5～10℃/min的速度冷却到400℃～500℃，然后随炉冷至室温，即完成tial合金与ti2alnb合金或ti3al基合金的连接。

实施例二

本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述的是采用线切割将tial合金与ti3al基合金加工成所需的尺寸，步骤三中所述的是将ti箔放置于tial合金与ti3al基合金的待焊面之间。其它与实施例一相同。

实施例三

本实施例与实施例一不同的是：步骤三中所述的是将抛光后的被焊母材和厚度为20～30μm的ti箔放入丙酮中超声清洗3～10min。其它与实施例一相同。

实施例四

本实施例与实施例一不同的是：步骤四中所述的是施加10～20mpa压力。其它与实施例一相同。

实施例五

本实施例与实施例一不同的是：步骤四中所述的是当真空加热炉中的真空度达到1×10^-3pa后开始通电加热。其它与实施例一相同。

实施例六

本实施例与实施例一不同的是：步骤四中所述的是加热速率为10℃/min。其它与实施例一相同。

实施例七

本实施例与实施例一不同的是：步骤四中所述的加热温度为980℃并在该温度下保温0.5h。其它与实施例一相同。

实施例八

本实施例与实施例一不同的是：步骤四中所述的冷却速度为10℃/min，随炉冷却的起始温度为400℃。其它与实施例一相同。

通过上述实施例获得的扩散焊接头组织参见附图1、2所示，接头中没有发现裂纹、空洞等缺陷，而且没有连续脆性反应层生成，成分分析表明接头中没有残留的ti箔中间层存在，获得了两种母材的高质量连接。