[发明专利]一种钛铝基合金和钛合金的异种金属等强度接头连接方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种钛铝基合金和钛合金(TC4)的异种金属等强度接头的扩散焊接方法。

背景技术

航空航天工业的迅速发展，对结构材料的要求，特别是对高温强度和热稳定性的要求越来越高。TiAl合金具有优良的比强度、比刚度和高温抗氧化性能，比重仅为3.8g/cm³，远远低于现今使用的比重为8.3g/cm³的Ni基高温合金，因此钛铝合金在飞机涡轮、汽车发动机、火箭推进系统等方面成为可替代Ti合金和Ni基高温合金的候选材料之一。随着航天工业的快速发展，TiAl基合金已经逐渐显示出其低密度、高熔点、良好的高温强度以及出色的抗氧化、抗蠕变和抗疲劳性能的优点，可大大降低航天发动机、飞行器的重量，提高发动机的推重比。该种材料引起科研单位和专家们的重视，并可能成为具有发展前景的航天材料。但同时TiAl合金的室温塑韧性较低，室温加工性能较差，一直限制了其在实际生产中的应用。近些年来对TiAl合金进行了大量研究，通过合金化和显微组织控制，使TiAl合金的室温塑韧性有了较大改善，使其逐步走向实用，目前TiAl合金已应用在喷气发动机的低压涡轮叶片及内燃机的排气阀上。

在该合金的实用过程中，必然会遇到连接问题，其中包括与异类合金(如与高温合金、Ti合金)的连接。探索该合金与其它金属的连接方法，对促进该合金的实用化、扩大其适用范围以及发挥其性能优势等具有重要意义。采用扩散连接技术，因无需研制特殊焊剂，可以迅速实现复杂大面积零件的连接，对该材料的迅速应用将起到重要的推动作用。

异种合金间的连接技术一直是国内外学术界和工业界共同关注的热点前沿课题，特别是对新材料与它种材料的固态连接技术更是研究工作者所关注的重点。与同种合金的固态连接不同，由于异种合金间性能，特别是高温性能的差异，增大了连接工艺参量选择及工艺实施的难度。尤其对于高温组织及性能差异较大的材料，连接温度的选择与保证不同材料的组织和性能之间往往存在矛盾。例如，采用热等静压扩散连接TiAl基合金与不锈钢，选择较低连接温度将大幅度地延长连接时间，提高连接温度则导致钢中组织转变。但在同种合金固态连接中具有降低连接温度、缩短连接时间的扩散连接技术，却因异种合金高温性能的差异而无法应用。

近年来，在TiAl基合金与它种合金的连接研究方面，目前已见诸报导的有TiAl基合金与钛合金的热等静压扩散连接，TiAl基合金与结构钢的扩散连接等。文献《Difusion bonding of titanium-titanium alumi-nide-alumina sandwich》(H.A.Wickman，E.S.C.Chin.Nevada，USA：Proceedings of the TMS.Annual Meeting on Gamma Titanium Aluminides，2005：499-505)中H.A.Wickman等人研究了钛合金/TiAl基复合材料/Al₂O₃陶瓷三层结构的真空扩散连接行为。三层结构都获得良好连接的温度和时间组配为1573K/3.6ks、1523K/36ks和1473K/360ks。但是，由于连接温度过高，Ti合金发生β相变，严重影响到钛合金母材的塑性指标。在1373K/360ks的连接条件下，在钛合金/TiAl基复合材料的界面处，形成了γ+α2全层片组织区、富Al的α相区和Ti-B化合物区，而且钛合金母材因发生了再结晶而使晶粒明显粗化。文献《Tensile and creep properties of diffusion bonded titanium alloy IMI 834to gamma titanium aluminide IHI alloy 01A》(M.Holmquist，V.Recina，B.Pettersson.Acta mater.，2005，47(6)：1791-1799)报道M.Holmquist等人在连接温度1173K，1213K，1253K，连接时间1h，连接压力200MPa条件下进行了TiAl基合金与钛合金的热等静压扩散连接，其接头性能测试表明，1253K连接性能最高，接头室温抗拉强度和延伸率与TiAl基合金母材相似，断裂大部分发生在连接接口处，由于接头处生成了脆性的金属间化合物Ti₃Al相，断口十分平坦，呈现脆性断口特征。有必要指出的是，Ti合金母材在1213K连接条件下发生了晶粒粗化和部分组织的β转变，1253K下则完全发生了β转变，带来了母材整体性能的下降。目前，TiAl基合金与其它材料的扩散连接技术有以下特点：连接温度过高，连接时间长，不仅存在着工艺成本高，对设备的要求高等缺点，并且带来了母材组织的改变与性能的下降，限制了该技术的实际应用。