采用复合中间层的TiAl基合金与40Cr钢异种金属激光焊方法与流程

本发明涉及采用复合中间层的tial基合金与40cr钢异种金属激光焊方法，属于异种难焊金属焊接技术领域。可用于航空航天、国防、汽车等技术领域。

背景技术：

高温结构材料是当今航空航天、能源、汽车工业等领域的关键材料，特别是航空发动机及工业燃气轮机高温热端部件不可替代的材料。tial金属间化合物基高温合金，是基于航空、航天飞行器及其高推重比发动机为主要需求背景，开发的一类轻质高温材料。其密度为3.7g/cm³-3.9g/cm³，不到镍基高温合金密度的一半，并且具有高熔点、高比强度和比模量以及良好的高温抗蠕变性能和抗氧化性能等特点，被认为是21世纪极具应用前景的新型轻质高温结构材料。目前，航空、汽车发动机的涡轮材料大多采用镍基高温合金，将tial合金替代镍基高温合金制成涡轮发动机将使结构重量减轻20-30％，显著提高发动机的性能和燃烧率，同时达到降低排放和噪声污染的环保目的。而tial基合金与钢轴的连(焊)接问题成为其应用的关键问题。

目前已有tial基合与钢异质材料连接相关的研究报道，主要涉及扩散焊、摩擦焊和钎焊等固态连接方法。扩散焊多为采取加入中间层的形式，可获得强度较高的接头，但是存在接头强度的分散性较大、连接时间长、成本较高的问题。摩擦焊的研究包括直接摩擦焊和加入中间层/第三体的摩擦焊。但摩擦焊对接头形式存在局限性，无法对形状复杂或者小尺寸试样进行焊接；加入中间层/第三体可在一定程度上提高接头的强度，但接头上存在多个界面，接头质量难以控制；摩擦焊产生的飞边对后续处理增加了工作量；tial基合金侧热影响区存在大量的微裂纹。采用真空扩散钎焊可以实现tial基合金与钢的连接，但工件尺寸和形状常常受到真空室的限制，同时钎料元素及成分设计能否适应高温环境仍有待于进一步研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采用复合中间层的tial基合金与40cr钢异种金属激光焊方法，解决采用扩散焊接头强度不稳定、效率低、成本高的问题；采用摩擦焊对接头形式、复杂形状和小尺寸试样的存在局限性、接头质量无法保证的问题；采用真空钎焊对工件尺寸和形状限制及钎料成分设计的问题。采用激光作为热源，v/cu复合层作为中间层材料，单道焊接一次成型，实现tial基合金与40cr钢异种金属高质量、高效率焊接。

本发明基于v与ti、cu、cr不形成金属间化合物，且与fe的互溶度较大；cu与fe不形成金属间化合物，与ti、al形成的金属间化合物脆性较低，v、cu固溶体具有较高的强度和塑性等特点，通过采用v/cu复合填充材料可降低tial基合金母材熔合比，使焊缝区析出v、cu固溶体、减少脆性金属间化合物，提高tial基合金与40cr钢异种材料焊接接头的强度和韧性。

本发明具体是通过下述工艺步骤实现的：

步骤一、焊前处理：将tial基合金板、40cr钢板、纯v薄片、纯cu薄片的待焊表面进行处理，去除氧化皮和油脂；

步骤二、组对装夹：v/cu复合中间层置于tial基合金与40cr钢之间，并且保证v层与tial基合金相邻，cu层与40cr钢相邻；

步骤三、焊接工艺：采用nd:yag脉冲激光焊设备进行焊接，焊接区(正面和背面)高纯氩气保护，通过优化激光焊参数，防止未焊透、咬边、气孔焊接缺陷以及两侧母材(tial基合金、40cr钢)熔化量过大引起的接头脆化，改善焊缝表面成型、提高焊接质量和接头强度。

步骤一所述的tial合金、40cr钢板材板的厚均为1.0～1.2mm，纯v薄片厚度为0.2～0.4mm，纯cu薄片厚度为0.4～0.6mm。

步骤二所述的v/cu复合中间层厚度为0.6～0.8mm。

步骤二所述的v/cu复合中间层的v层厚度为0.2mm，cu层厚度为0.4～0.6mm。

步骤二所述的v/cu复合中间层的v层厚度为0.4mm，cu层厚度为0.4mm。

步骤三所述的激光焊接工艺参数：激光功率215～350w，脉冲电流为85a～110a，脉冲宽度10～12ms，脉冲频率6～8hz，焊接速度180～200mm/min，保护气体ar流量20～25l/min。

本发明的有益效果在于：

(1)v与ti、cu、cr不形成金属间化合物，且与fe的互溶度较大；cu与fe不形成金属间化合物，与ti、al形成的金属间化合物脆性较低，v、cu固溶体具有较高的强度和塑性等特点，通过采用v/cu复合填充材料可降低tial基合金母材熔合比，使焊缝区析出v、cu固溶体、减少脆性金属间化合物，提高tial基合金与40cr钢异种材料焊接接头的强度和韧性。接头的室温抗拉强度达到tial基合金母材的75％以上。

(2)v/cu复合填充材料用量较低、且易得，有利于降低焊接生产成本。

(3)焊接工艺简便、易行，有利于提高生产效率及实现焊接生产的自动化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的采用复合中间层的tial基合金与40cr钢异种金属激光焊示意图，图中1表示tial基合金，2表示纯v层，3表示纯cu层，4表示40cr钢，5表示激光束。

图2为本发明采用的tial基合金微观组织及xrd分析结果,图中(a)tial基合金微观组织，(b)tial基合金xrd分析结果。

具体实施方式

本发明的采用复合中间层的tial基合金与40cr钢异种金属激光焊方法，具体实施方式一如下：

步骤一、焊前处理：将tial基合金板、40cr钢板的待焊端面和表面依次在500#，1000#金相砂纸打磨去除氧化皮，然后将待焊试板放入清洁的丙酮(或无水乙醇)溶液中反复超声清洗3次，每次5分钟，然后取出吹干，装入密封袋密封保存待焊。将纯v薄片、纯cu薄片的表面用2000#金相砂纸打磨去除氧化皮，然后放入清洁的丙酮(或无水乙醇)溶液中反复超声清洗3次，每次5分钟，然后取出吹干，装入密封袋密封保存待焊。

步骤二、组对装夹：v/cu复合中间层置于tial基合金与40cr钢之间夹紧不留缝隙，并且保证v层与tial基合金相邻，cu层与40cr钢相邻。

步骤三、焊接工艺：采用nd:yag脉冲激光焊设备进行焊接，激光束作用于v/cu复合中间层的正中间，焊接区的正面两侧及背面均匀的通入高纯氩气保护气体(见图1)，单道焊接，激光功率215～350w，脉冲电流为85a～110a，脉冲宽度10～12ms，脉冲频率6～8hz，焊接速度180～200mm/min，保护气体ar流量20～25l/min。通过优化激光焊参数，防止未焊透、咬边、气孔焊接缺陷以及两侧母材(tial基合金、40cr钢)熔化量过大引起的接头脆化，改善焊缝表面成型、提高焊接质量和接头强度。

本实施方式采用的tial基合金是由块状γ相和γ/α2片层组织构成双相合金(见图2)。

本实施方式采用纯v的纯度在99.5％以上，纯cu的纯度在99.95％以上(以上百分比均为重量百分比)。

本实施方式步骤二所述的v/cu复合中间层厚度为0.6～0.8mm。

本实施方式采用的是单道焊接一次成型工艺，通过v/cu复合中间层的阻隔作用，降低熔池中tial基合金和40cr钢的熔合比，使进入熔池中ti、al、fe元素含量大大降低，降低了fe-ti、fe-al脆性金属间化合物的生成量，获得的以v基固溶体、cu基固溶体为主并含少量脆硬性较低的cu-ti、cu-al金属间化合物的异种金属焊接接头，降低了整个接头的脆性，缓解了接头的焊接应力，提高了接头的强度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述的v/cu复合中间层的v层厚度为0.2mm，cu层厚度为0.4～0.6mm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：本实施方式步骤二所述的v/cu复合中间层的v层厚度为0.4mm，cu层厚度为0.4mm。其它步骤与具体实施方式一相同。