Ti-Al系合金环形件扩散连接的方法与流程

本发明涉及金属间化合物的扩散连接，具体是一种在ti-al系合金环形件加工以及扩散连接过程中预防裂纹产生的方法。

背景技术：

ti-al系金属间化合物，具有低密度、高比强和良好的抗氧化性等特点，是理想的轻质高温金属结构材料，在航空发动机与航天飞行器等领域拥有广泛的应用前景。其中tial合金的使用温度可达700-900℃，ti2alnb合金使用温度可达650℃。但是，ti-al系合金具有本征脆性及难加工性，机械加工中易引入残余应力，可能导致后续过程中产生裂纹，限制了其应用。扩散连接中母材无需熔化，可以有效的减小异种合金连接时产生的热应力，避免熔焊时产生的热裂纹等缺陷，是实现异种合金复杂结构件连接的有效方法，但是仍无法完全消除热应力以及残余应力对连接件后续使用的影响。因此避免tial/ti2alnb合金在机械加工过程产生裂纹以及控制环形结构件连接过程中残余应力的大小是预防焊接开裂的关键。环形结构的连接件，因其结构的特殊性，导致其残余应力的大小以及分布同常规结构差异较大，控制并消除残余应力更加困难。研究学者针对这一难题进行了相关研究，分析了加工以及扩散连接过程中残余应力的大小以及分布，并提出了控制及消除方法。

文献“膨胀压差法扩散连接残余应力数值模拟”研究了钛合金(ti-6al-4v)以及铜合金(qa110-3-1.5)筒形件的扩散连接。在850℃-60min-10μm间隙配合工艺条件下，实现了钛合金与铜合金筒形件的扩散连接，但是在靠近端面的接触界面上存在明显的未焊合区域，残余应力较大。该方法是利用外层金属ti-6al-4v合金膨胀系数较小，通过简单间隙装配在加热过程中即可获得大小合适的膨胀压差。但是该方法在扩散连接冷却阶段会在扩散连接界面上产生较大的残余拉应力，容易造成扩散连接界面焊后开裂。

西北工业大学唐斌等人在公开号为cn107745178a的发明专利中提出一种利用特殊夹具与外层tial合金轮缘在加热过程中产生的膨胀压差实现扩散连接的方法。该方法利用夹具实现对tial合金轮缘膨胀的部分限制，使其相对ti2alnb膨胀较小，在界面上产生膨胀压差，实现扩散连接。该方法虽然能实现外层金属膨胀系数更大的环形件扩散连接，但是其整体的应力比较大，尽管在冷却至800℃时保温30min会消除部分残余应力，tial合金轮缘最终残余压应力仍接近200mpa，对后续的热处理以及机械加工可能存在有害作用。

目前，对tial/ti2alnb合金加工以及扩散连接过程中残余应力的研究还不够深入，通常仅仅考虑扩散连接过程的残余应力而忽略了加工过程可能存在残余应力引起开裂现象。因此有必要统筹考虑加工过程、扩散连接过程中的残余应力以及氧化等导致开裂的因素，制定合适的工艺控制整个过程中残余应力，预防tial/ti2alnb环形结构扩散连接件产生裂纹。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的仅考虑扩散连接过程的残余应力而忽略了加工过程存在残余应力而引起开裂现象的问题，本发明提出了一种ti-al系合金环形件扩散连接的方法。

本发明的具体过程是：

步骤一：tial/ti2alnb合金扩散连接件的加工

所述的tial/ti2alnb合金扩散连接件包括tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯。

其中，tial轮缘内径表面以及ti2alnb轮芯外径表面为二者的连接界面。所述tial轮缘内表面和ti2alnb轮芯外表面均有3°界面倾斜角。

加工前，对作为原料的锻饼进行去应力退火。退火工艺参数为：以6℃/min升温速率升温至850℃，保温2～6h并随炉冷却。

加工中须保证整个加工过程的连续性，使不同加工工序之间的间隔不超过12h，若加工工序间存在一周以上的时间间隔，需对tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯进行去应力退火。所述去应力退火的工艺参数同原料的退火工艺参数。

在上述每道加工工序间隙中，需将tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯放入酒精中浸泡；表面精细打磨工序中需在表面涂抹冷却油，以减少产热对界面的影响，并保留表面冷却油，保证在后续的运输过程中不被杂质污染氧化。试件加工完后进行探伤。

步骤二：装配的前处理。

所述的装配前处理包括对tial/ti2alnb合金扩散连接件表面的处理和对夹具以及真空扩散连接炉内的上下石墨压头的处理。

对tial/ti2alnb合金扩散连接件表面的处理是通过表面酸洗对tial轮缘的表面和ti2alnb轮芯的表面进行去氧化层的处理；

所述对tial轮缘的表面和ti2alnb轮芯的表面进行去氧化层的处理的具体过程包括：

超声波清洗：将tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯试件浸入丙酮中超声波除油15min，再浸入无水乙醇中超声波清洗5min。

酸洗：采用tial合金酸洗液对tial合金轮缘酸洗1min。采用ti2alnb合金酸洗液对ti2alnb轮芯酸洗1min。酸洗过程中若表tial合金轮缘或ti2alnb轮芯的酸洗面出现颜色明显变黑，需立即取出用酒精冲洗，用吹风机吹干酒精后立即转移到真空扩散连接炉内装配。

所述的tial合金酸洗液采用hno3、hf和蒸馏水配制而成；hno3:hf:蒸馏水＝1:1:10；所述的比例为体积比。

所述的ti2alnb合金酸洗液亦采用hno3、hf和蒸馏水配制而成；hno3:hf:蒸馏水＝1:1:50。

对夹具以及真空扩散连接炉内的上下石墨压头的处理是在夹具内侧面以及真空扩散连接炉内的上石墨压头表面与下石墨压头表面涂抹止焊剂。

步骤三：夹具与tial/ti2alnb合金扩散连接件的装配

装配氮化硅/tial轮缘/ti2alnb轮芯时，将所述tial轮缘放入夹具的内腔中，并使该tial轮缘的外圆周表面与该夹具的内圆周表面之间间隙配合，将所述ti2alnb轮芯放入该tial轮缘的中心孔内并使该tial轮缘的内圆周表面与所述ti2alnb轮芯的外圆周表面贴合。所述tial轮缘的外圆周表面与夹具的内圆周表面之间的间隙为0.2mm。

在使用所述夹具前，需放入真空扩散连接炉内加热放气；加热放气是将该夹具置于真空状态的真空扩散连接炉内，在5×10^-2pa下随真空扩散连接炉加热至1000℃以上后保温，保温时间≥2h；保温结束后随炉冷却至室温，完成对该夹具的加热放气。

步骤四：扩散连接。

将装配有tial/ti2alnb合金扩散连接件的夹具放入真空扩散连接炉内。对该真空扩散连接炉抽真空至5×10^-3pa并保持该真空度；以阶梯升温方式使炉温梯度升至1000℃，并保持90min，当保温结束后，以阶梯降温方式使炉温降至室温，即完成了tial合金和ti2alnb合金环形结构件扩散连接。

扩散连接完成后进行探伤，确保未开裂。

所述焊接时阶梯升温的具体过程是，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉内升温至300℃，并保温30min。保温结束后继续以8℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉内升温至600℃，并保温20min后，继续以5℃/min的升温速率，升温到900℃保温10min，以5℃/min的升温速率使真空扩散焊机炉内升至1000℃。当真空扩散焊机炉内升至1000℃时保温90min。

保温结束后以阶梯降温的方式使真空扩散焊机炉内降温至室温。具体过程是：以2℃/min的降温速率使真空扩散焊机炉的炉温降至900℃，并保温10min；以3℃/min的降温速率使真空扩散焊机炉的炉温降至800℃，并保温30min；保温结束后，随炉冷却到室温。

至此，完成了ti-al系合金环形件的扩散连接。

本发明通过控制高温区间的冷却速率以控制热应力的大小，确保高温时接头不被破坏；在高温区间内阶梯保温能够起到消除部分残余应力的效果，避免最终残余应力过大，造成连接界面开裂。

本发明中以公开号为cn107745178a的发明创造中提出的利用夹具提供膨胀压差实现环形件扩散连接的方法为例，对该发明中提出的环形件的扩散连接方法进行改进，对复杂结构件扩散连接生产过程中的细节进行详细说明，并针对ti-al系合金本征脆性添加去应力退火流程，为工业生产提供指导。

本发明的关键是在避免以及消除在机械加工和扩散连接过程中产生的残余应力，通过去应力退火消除机械加工过程中产生的残余应力，通过去除待扩散连接件表面氧化层以及控制扩散焊连接后的冷却速度，以达到消除或者尽量扩散焊连接中产生的残余应力的目的。本发明通过上述采取的技术措施，尽可能的避免在扩散连接前存在残余应力，并消除扩散焊连接后的残余应力。因为无论是扩散连接前还是扩散连接过程中产生的残余应力都会使具有本征脆性的ti-al系合金产生微裂纹；过大的残余应力甚至会破坏扩散连接界面，使扩散连接界面断裂甚至整个接头失效。另外，在扩散连接过程中不仅要控制残余应力的大小，同时要避免连接界面被氧化。因为界面氧化后会影响元素扩散，降低接头连接强度，还会增大接头残余应力，加速连接接头失效。

本发明在机械加工阶段，无论是线切割还是表面打磨均会产生残余应力，而残余应力的存在会使得tial合金以及ti2alnb合金在加工过程中产生微裂纹。本发明通过去应力退火部分消除残余应力，以保证tial合金轮缘以及ti2alnb合金轮芯扩散连接前没有微裂纹；在扩散连接过程中通过与夹具的间隙装配、避免连接界面被氧化来控制残余应力大小；冷却过程中在高温区间降低冷却速率并且阶梯降温来部分消除残余应力。本发明中在机械加工过程中添加了去应力退火，在扩散连接冷却阶段采取阶梯降温并控制冷速的方式，这在工业生产以及实验研究中都尚未使用。

扩散连接界面的焊前质量也是影响扩散连接效果的重要因素，在实验室条件下简单结构件的界面质量容易进行把控，但是在实际生产中针对复杂结构件的界面质量如何保证尚未提及。本发明在焊前处理阶段添加酸洗过程，去除结构件表面的氧化层、杂质油污等，改善连接界面质量，防止界面氧化。

通过采取上述措施，有效的避免了tial合金轮缘加工微裂纹的产生；并且扩散连接界面开裂现象也得到了改善。如图5所示，采用传统扩散连接工艺时，tial合金轮缘外圆的加工质量极差，并且由于微裂纹的存在，不得不破坏整体结构，切除了部分外缘；在机械加工过程中添加去应力退火工艺后，tial合金轮缘的外圆加工质量有明显提高，边界处缺陷明显减少。如图6所示，采用传统扩散连接方法时，扩散连接界面开裂现象十分的严重；采取上述措施后，扩散连接界面更加稳定，无开裂现象。

本发明通过对tial合金轮缘以及ti2alnb合金轮芯进行合适的焊前处理、确定合适的装配工艺、连接工艺，避免环形结构件在机械加工、扩散连接过程中产生开裂现象，同时提高扩散连接件结合强度以及使用强度。

本发明提供了完整的包含加工至扩散连接全过程的预防扩散连接开裂的方法，并在关键节点进行探伤，有助于在实际生产过程中更加精确的实现过程监控，更加清楚的判定问题产生的环节，实现工艺调整。本发明也对其他合金环形结构件的焊接以及ti-al系合金其他焊接方法预防焊接裂纹的产生提供参考。

附图说明

图1是tial轮缘结构示意图。

图2是ti2alnb轮芯结构示意图。

图3是氮化硅陶瓷夹具示意图。

图4是氮化硅/tial轮缘/ti2alnb轮芯装配示意图。

图5是不同扩散连接工艺条件扩散连接效果图，其中的图5a是采用现有技术连接的扩散连接件4；图5b采用本发明连接的扩散连接件5。

图6是不同扩散连接工艺扩散连接界面sem图片，其中的图6a是采用现有技术得到的连接界面6，图6b是采用本发明得到的连接界面7。

图7是本发明的流程图。

图中：1.氮化硅陶瓷夹具；2.tial轮缘；3.ti2alnb轮芯；4.采用现有技术的扩散连接件；5.采用本发明的扩散连接件；6.采用现有技术连接的连接界面；7.采用本发明连接的连接界面。

具体实施方式

所述环形件轮缘金属为tial合金，名义成分为ti-45al-8.5nb-0.2w-0.2b-0.3y，；轮芯金属为ti2alnb合金，名义成分为ti-22al-25nb。本实施例的具体过程是：

步骤一：tial/ti2alnb合金扩散连接件的加工

所述的tial/ti2alnb合金扩散连接件包括tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯。

根据设计图纸分别加工tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯。

其中tial轮缘内径表面以及ti2alnb轮芯外径表面为二者的连接界面。所述tial轮缘内表面和ti2alnb轮芯外表面均有3°界面倾斜角。

加工前，对作为原料的锻饼进行去应力退火。退火工艺参数为：以6℃/min升温速率升温至850℃，保温2～6h并随炉冷却。

按照常规的加工方法，通过快走丝线切割、tial合金中心打孔、慢走丝线切割和表面精细打磨，加工制作tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯。加工中须保证整个加工过程的连续性，即不同加工工序间的间隔不超过12h，若加工工序间存在一周以上的时间间隔，需对tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯进行去应力退火。所述去应力退火的工艺参数同原料的退火工艺参数。

试件在上述每道加工工序间隙中放入酒精中浸泡，表面精细打磨工序中需在表面涂抹冷却油，减少产热对界面的影响，并保留表面冷却油，保证在后续的运输过程中不被杂质污染氧化。试件加工完后进行探伤。

步骤二：装配的前处理。

所述的装配前处理包括对tial/ti2alnb合金扩散连接件表面的处理和对夹具以及真空扩散连接炉内的上下石墨压头的处理。

对夹具以及真空扩散连接炉内的上下石墨压头的处理是在夹具内侧面以及真空扩散连接炉内的上石墨压头表面与下石墨压头表面涂抹止焊剂。所述止焊剂为氮化硼。

对tial/ti2alnb合金扩散连接件表面的处理是通过表面酸洗对tial轮缘的表面和ti2alnb轮芯的表面进行去氧化层的处理；

所述对tial轮缘的表面和ti2alnb轮芯的表面进行去氧化层的处理的具体过程包括：

超声波清洗：将tial合金轮缘和ti2alnb合金轮芯试件浸入丙酮中超声波除油15min，再浸入无水乙醇中超声波清洗5min。

酸洗：采用tial合金酸洗液对tial合金轮缘酸洗1min。采用ti2alnb合金酸洗液对ti2alnb轮芯酸洗1min。酸洗过程中若表tial合金轮缘或ti2alnb轮芯的酸洗面出现颜色明显变黑，需立即取出用酒精冲洗，用吹风机吹干酒精后立即转移到真空扩散连接炉内装配。

所述的tial合金酸洗液采用hno3、hf和蒸馏水配制而成；hno3:hf:蒸馏水＝1:1:10；所述的比例为体积比。

所述的ti2alnb合金酸洗液亦采用hno3、hf和蒸馏水配制而成；hno3:hf:蒸馏水＝1:1:50。

步骤三：夹具与tial/ti2alnb合金扩散连接件的装配

本实施例采用申请号为201810351312.5的发明创造中公开的环形结构件扩散连接夹具。该夹具为烧结的氮化硅陶瓷，如图3所示。陶瓷夹具为回转体，其外圆周表面为阶梯状，并且最大壁厚为50mm，最小壁厚为25mm；所述最大壁厚的轴向长度与最小壁厚的轴向长度相等；该夹具的小直径端端面中心有凹槽，该凹槽的内径略大于tial轮缘的外径，为200mm；凹槽的深度与tial轮缘的轴向长度相等，槽底的厚度为20mm。

装配氮化硅/tial轮缘/ti2alnb轮芯时，将所述tial轮缘放入夹具1的内腔中，并使该tial轮缘的外圆周表面与该夹具的内圆周表面之间间隙配合，将所述ti2alnb轮芯3放入该tial轮缘的中心孔内并使该tial轮缘的内圆周表面与所述ti2alnb轮芯的外圆周表面贴合。所述tial轮缘的外圆周表面与夹具的内圆周表面之间的间隙为0.2mm，通过调整间隙距离实现扩散连接整体应力的初步控制，避免tial轮缘在扩散连接过程中开裂，同时避免残余应力过大。氮化硅陶瓷制作完成后需放入真空扩散连接炉内加热放气，防止其在扩散连接过程中污染连接表面。

所述加热放气是将该夹具置于真空状态的真空扩散连接炉内，在5×10^-2pa下随真空扩散连接炉加热至1000℃以上后保温，保温时间≥2h；保温结束后随炉冷却至室温，完成对该夹具的加热放气。

步骤四：扩散连接。

将装配有tial/ti2alnb合金扩散连接件的夹具放入真空扩散连接炉内。对该真空扩散连接炉抽真空至5×10^-3pa并保持该真空度；以阶梯升温方式使炉温梯度升至1000℃，并保持90min，当保温结束后，以阶梯降温方式使炉温降至室温，即完成了tial合金和ti2alnb合金环形结构件扩散连接。

扩散连接完成后进行探伤，确保未开裂。

所述焊接时阶梯升温的具体过程是，以10℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉内升温至300℃，并保温30min。保温结束后继续以8℃/min的升温速率，使真空扩散焊机炉内升温至600℃，并保温20min后，继续以5℃/min的升温速率，升温到900℃保温10min，以5℃/min的升温速率使真空扩散焊机炉内升至1000℃。当真空扩散焊机炉内升至1000℃时保温90min。

保温结束后以阶梯降温的方式使真空扩散焊机炉内降温至室温。具体过程是：

以2℃/min的降温速率使真空扩散焊机炉的炉温降至900℃，并保温10min；以3℃/min的降温速率使真空扩散焊机炉的炉温降至800℃，并保温30min；保温结束后，随炉冷却到室温。

通过控制高温区间的冷却速率以控制热应力的大小，确保高温时接头不被破坏；在高温区间内阶梯保温能够起到消除部分残余应力的效果，避免最终残余应力过大，造成连接界面开裂。