[发明专利]钛基复合材料焊接及焊后热处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属复合材料领域，尤其涉及钛基复合材料的二次加工技术领域，具体涉及一种钛基复合材料焊接及焊后热处理方法。

背景技术

随着高科技和国防军工发展的需要，钛基复合材料(TMCs)，尤其是颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)以其高比强度、比刚度和良好的抗高温性能，在国防、宇航、电器仪表等领域有着广阔应用前景，成为超高音速宇航飞行器发动机的候选材料，在气体涡轮机发动机风扇叶片、飞机起落架、飞机构架结构、汽车工业等方面具有良好的工程应用前景。

颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)的制备和加工工艺、界面特性、性能评价和实验方法等方面开展了大量富有成效的研究工作。然唯有PTMCs焊接性和焊接工艺的研究远落后于其它方面的研究，严重制约该类材料的应用发展。一种新材料只有被加工成结构件才具有真正的实用价值，其广泛应用肯定会涉及到其焊接连接问题，而有时甚至焊接是唯一的加工手段。就单一的钛合金来说，常规各种焊接工艺都是广泛应用的效率高、成本效益好的加工方法，但对于TMCs，其由成分、结构和性能相差很大的金属和非金属材料复合而成，它们之间的物化相容性较差，因此，与基体相比，TMCs的焊接性有很大的差异，困难较大。

从70年代开始研究TMCs材料，国外主要研究了航天飞机用连续纤维增强金属基复合材料的焊接问题，已取得工程上的成功应用。但在如何简化工艺、提高效率、降低成本和扩大应用领域等方面仍有待进一步研究，焊接仍是TMCs材料的难题之一。而对PTMCs材料的焊接性研究则更少。

经对现有技术文献的检索发现，国外专家学者对纤维增强钛基复合材料的熔焊法和固态连接法等工艺进行诸多尝试。Hirose等(Diffusion bonding of SiC fiber reinforced Ti-6Al-4V alloy，Mat.Sci.and Tech.，1992，8(9)：811-815)研究以未强化合金作为中间层扩散焊连接40SiC％(纤维)强化的Ti-6Al-4V钛合金焊接性。Paul等申请了“Friction Stir Welding ofMetal Matrix Composites”(专利号：US20080156846A1)，该方法解决了纤维增强金属基复合材料焊接的界面问题，获得高质量的焊接接头。Baeslack等(Capacitor Discharge Resistance Spot Welding of SiC Fiber-Reinforced Ti-6Al-4V.Welding Journal，October 1993：479-491)采用电容放电点焊成功地连接了35％SiC_f/Ti-6Al-4V钛合金。Antonio等(Mechanical and Metallurgical Properties of Friction-Welded TiC Particulate Reinforced Ti-6Al-4V， Composites Science and Technology，2004，64：1495-1501)研究了惯性摩擦焊对钛基复合材料(10％TiC/Ti-6Al-4V)的影响规律与机制。

由上述可以看出，目前比较成熟的也仅仅是连续长纤维增强钛基复合材料的焊接，而这种复合材料的焊接，实际上主要是复合材料外层基体与基体之间的连接，并非复合材料之间的连接。并且，上述焊接工艺，无论是扩散焊连接，电容放电焊，还是摩擦焊，都存在工艺复杂的缺点，对焊接接头形式或尺寸有特殊要求，其应用适用性受到限制，焊接接头性能达不到使用要求，至今还没有成功用于工业批量生产的报道。而国内主要集中在铝基复合材料或钛合金方面的焊接工艺研究，尚未看到有钛基复合材料，尤其是非连续增强钛基复合材料焊接研究的相关报道。另外，虽然惰性气体保护氩弧焊(GTAW)工艺在钛基复合材料的焊接应用方面也得到了有益的尝试，但其所得到的焊缝熔宽和热影响区宽度较宽，对母材的损伤程度较大，力学机械性能等不能满足工程上对材料连接的要求。迄今为止，人们还未找到一种行之有效的焊接方法用于钛基复合材料实际结构的连接之中。Burke等申请了“Method for laser beam welding metal matrix composite components”(专利号US4803334)，该方法用激光焊接填充焊丝的工艺解决了复合材料焊缝成份的均匀性的问题，但该工艺焊接接头强度不高，过程复杂，不利于工程化需要的技术问题。