[发明专利]一种环形结构件扩散连接夹具的设计方法

说明书

一种环形结构件扩散连接夹具的设计方法，选择合适的夹具材料，在提供足够大的膨胀压差的同时确保夹具安全使用。为保证能在连接界面上产生均匀稳定的连接压力，夹具结构要与环形件结构相契合，细节特征要近似吻合；夹具内壁要尽量与连接件外表面完全接触；夹具外壁为制作简便、节约成本，设计为规则的圆柱表面。合理选择环形夹具制作材料的热膨胀系数，冷却过程中因夹具材料与试样合金膨胀系数相近，冷却收缩差异较小，对连接界面影响较小。采用本发明的技术方案实现TiAl合金和Ti₂AlNb合金的成功连接，为其他外层金属膨胀系数较大的环形结构件的扩散连接提供了参考。

技术领域

本发明涉及固态焊接领域，具体是一种适用于外层金属膨胀系数较大的异种金属间化合物环形结构件扩散连接的夹具的设计方法。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物，具有低密度、高比强度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，限制了其应用。扩散连接是实现金属间化合物复杂件成形的重要方法，因此研究和发展TiAl/Ti₂AlNb合金扩散连接方法至关重要。环形结构的扩散连接件，因其结构的特殊性，难以在扩散连接界面上产生足够的扩散连接压力，因而加大了扩散连接难度。研究学者针对这一难题进行了相关研究，选取一定的扩散连接方法或者选取一定的辅助装置在环形结构扩散连接界面上产生有效的扩散连接压力。

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。但是该方法仅适用于外层金属膨胀系数较小的扩散连接结构，并未涉及外层金属膨胀系数较大时如何在连接界面上产生扩散连接压力。

北京航空大学邓云华博士2014年发表在Materials Letters的文献“Study onrigid restraint thermal self-compressing bonding-Anew solid state bondingmethod”研究了Ti-6Al-4V同种金属间的扩散连接。文献采用一种刚性约束热自压扩散连接方法，对待焊接材料进行约束，限制其膨胀位移，并在待连接界面周围利用热源加热实现扩散连接。在850℃条件下成功获得无明显缺陷的扩散连接接头，接头力学性能与基体性能相当。该方法是通过约束材料的位移，使得材料在加热膨胀时相互挤压产生连接压力，虽然并未涉及环形结构件扩散连接，但其约束方式给本发明以启示。

钢研院在公开号为CN103447759A的发明创造中提出了一种采用热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法。将预先热等静压成形的粉末高温合金FGH91盘体与径向固定好的铸造高温合金K4188叶片环机加工、间隙装配、焊接，制成双合金整体叶盘包套，在400～500℃真空条件下将FGH91合金粉末装入盘体及叶片环的间隙内并密封，最终进行热等静压处理，实现了盘体与叶片的冶金结合。在1200℃/4h/130Mpa条件下获得质量良好的双合金整体叶盘。该方法需制作整体叶盘包套并真空装填高温合金粉末再进行热等静压，工艺复杂。

目前，对TiAl合金和Ti₂AlNb合金环形件的扩散连接研究还不够深入，相关报道甚少。而且外层金属TiAl合金膨胀系数较大，不能通过常规方法获得膨胀压差，若要对边界施加刚性约束进行热自压扩散连接，容易产生较大的残余应力。因此有必要设计一种扩散连接夹具来施加约束，在环形结构扩散连接界面上产生膨胀压差，同时避免产生较大的残余应力，实现TiAl/Ti₂AlNb环形结构件的扩散连接。

发明内容