專利名稱：TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法
技術領域：
本發明涉及TiAl基合金與Ni基高溫合金的焊接方法。
背景技術：
TiAl基合金由于具有低密度、高熔點、良好的高溫強度和優異的抗氧化、抗蠕 變性能，是航空、航天、軍事及民用領域具有廣闊應用前景的新型輕質高溫結構材料。目 前，航空、航天飛行器的熱端部件大多采用Ni基高溫合金，雖然Ni基高溫合金的高溫 性能優良，但密度大，降低飛行器的工作效率，且增加廢氣排放量。將TiAl基合金取代 部分Ni基高溫合金部件應用于航空、航天飛行器可以顯著減輕飛行器的重量，增加工作 效率。而TiAl基合金與Ni基高溫合金的連接問題成為這一應用的關鍵問題。目前已 有這兩類合金連接的報道，但主要采用擴散連接的方法。如文獻“Diffusion bonding oflaser-surface-modified gamma titanium aluminide alloy to nickel-base casting alloy, Luo GX, Wu GQ，Huang Z，Ruan ZJ. Scripta Materialia 2007，57 :521_524” 公開了 一種超塑性擴散連接Y_TiAl/K148高溫合金的方法，該方法采用焊前對Y-TiAl連接表面 激光熔敷Ni-Cr-Ti-Al系涂層，而后進行擴散連接。采用這一方法，接頭的剪切強度達到 359MPa。盡管這一方法使接頭獲得了較高的連接強度，但焊前需要對Y-TiAl表面進行激 光熔敷處理，因此，工藝復雜，成本較高。公開號為CN101352772A、發明名稱為TiAl/Nb基合 金與Ni基高溫合金的擴散焊連接方法的中國專利也公開了一種采用Nb-Ni復合中間層擴 散連接TiAl/GH710高溫合金的方法，所得到的接頭抗剪強度為372MPa。盡管利用此方法獲 得了較高的剪切強度，但連接熱循環周期長，效率低，且擴散連接方法本身存在焊前工件待 焊表面的制備和裝配要求高，焊接工件的形狀和尺寸受到限制，不利于復雜構件的連接等 缺點。由于TiAl與Ni基高溫合金為應用于航空、航天的熱端部件，因此連接接頭應 具有好的耐高溫性會邑，文獻"Gamma Ti aluminides for non-aerospace applications, Toshimitsu Tetsui·Current Opinionin Solid State and Materials Science 1999,4 243-248”公開了一種TiAl渦輪增壓器與鋼軸的連接方法，采用Ni基高溫合金作為過渡套， 利用銀釬焊的方法實現了 TiAl合金與Ni基過渡套的連接，此方法雖然能夠達到TiAl合 金與Ni基合金連接的目的，但此方法所用的銀基釬料成本較高，且所得連接接頭不能承受 5000C以上的高溫環境。采用真空釬焊的方法焊接TiAl基合金與Ni基合金時，就必須選擇 高溫釬料(如Ti基釬料和Ni基釬料)進行焊接，而在較高的連接溫度下，TiAl基合金母材 極易與釬料發生反應，生成脆性的金屬間化合物，當這些脆性相聚集長大呈大塊狀分布時， 嚴重影響接頭性能。
發明內容
本發明是為了解決現有的焊接TiAl基合金與Ni基高溫合金擴散連接方法的工藝 復雜、成本高、連接熱循環周期長、效率低及焊件待焊表面要求高、銀釬焊的接頭不耐高溫
3及高溫釬焊的脆性相易生成聚集長大的問題，提供TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反 應釬焊連接方法。本發明的TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法按以下步驟 進行一、對Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面進行處理；二、將Ti箔片置 于TiAl基合金與Ni基高溫合金之間，構成待焊件；三、將待焊件置于真空釬焊爐中，以 0. OOlMPa 0. OlMPa的預壓力固定，然后在真空度為1. OXlCT3Pa 7. OXlCT3Pa的條件 下，以5°C /min 20°C /min的速度，升溫到790°C 810°C，保溫8min 12min，再以5°C / min 20°C /min的速度繼續加熱到960°C 1040°C，保溫Imin 30min，再以5°C /min 200C /min的速度降溫到300°C 500°C后，隨爐冷卻至室溫，即完成連接。步驟一中的Ti箔片的厚度為50μπι 100 μ m。步驟一中Ti箔片的處理為將Ti箔片放入丙酮中用超聲波清洗IOmin 20min后晾干。步驟一中TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面的處理為將待焊面用600#金相 砂紙打磨，然后將待焊面浸入丙酮中用超聲波清洗IOmin 20min后晾干。本發明利用簡單的釬焊方法，常用低廉的設備實現了 TiAl基合金與M基高溫合 金的釬焊連接，連接溫度最高為960°C 1040°C，釬焊的時間為IOmin 40min，而且對待焊 面用600#金相砂紙打磨即可，在較低的溫度和較短的時間內將TiAl基合金與Ni基高溫合 金連接在一起，工藝過程簡單，生產效率高，使焊接成本降低。本發明采用Ti箔片作為接觸反應釬焊的中間層，在升溫過程中Ti與M基高溫 合金中的M發生共晶反應，產生液相，隨著溫度的繼續升高或保溫時間的延長，Ti箔片逐 漸熔化，當Ti箔片完全熔化后，使TiAl母材向熔融液相中溶解擴散，在一定程度上延緩了 TiAl合金側的反應，可以減少TiAl合金母材向焊縫中的大量溶解，即減少了焊縫中Al的含 量，從而減少了大塊狀脆性相的生成；在本發明的條件下，通過控制工藝參數，控制脆性相 聚集長大，因此，在界面中生成的Ti-Ni，Ti-Al, Ti-Ni-Al的合金組織均勻分布在連接界面 中，形成良好的冶金結合，盡管焊縫中生成了脆性相，但都相間、均勻的分布在焊縫中，使接 頭性能良好，另一方面，Ti中間層在與M基高溫合金中的M迅速發生反應的同時，高溫合 金中的合金元素Cr、W、Mo、Co等也部分溶解進入焊縫，起到強化焊縫的作用，增加脆性相的 韌性，本發明利用Ti作中間層，實現了 TiAl與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接，得到的 連接接頭的抗剪強度達到240MPa 300MPa，由于焊縫中生成的Ti-Ni，Ti-Al，Ti-Ni-Al的 合金組織在800°C的高溫下，均比較穩定，在800°C高溫時的抗剪強度為180MPa 210MPa， 采用簡單的釬焊方法使TiAl基合金與Ni基合金獲得可靠連接，所得連接接頭可以應用于 高溫環境下的航空、航天的熱端部件。
圖1是具體實施方式
十四得到的TiAl基合金與Ni基高溫合金接觸反應釬焊接頭 的掃描電鏡照片；圖2是具體實施方式
十五得到的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應 釬焊接頭的掃描電鏡照片。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊 連接方法按以下步驟進行一、對Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面進行處 理；二、將Ti箔片置于TiAl基合金與Ni基高溫合金之間，構成待焊件；三、將待焊件置 于真空釬焊爐中，以0. OOlMPa 0. OlMPa的預壓力固定，然后在真空度為1. OX ICT3Pa 7. OX 10_3Pa的條件下，以50C /min 20°C /min的速度，升溫到790°C 810°C，保溫8min 12min，再以5°C /min 20°C /min的速度繼續加熱到960°C 1040°C，保溫Imin 30min， 再以5°C /min 20°C /min的速度降溫到300°C 500°C后，隨爐冷卻至室溫，即完成連接。本實施方式利用簡單的釬焊方法，常用低廉的設備實現了 TiAl基合金與M基高 溫合金的釬焊連接，連接溫度最高為960°C 1040°C，釬焊的時間為IOmin 40min，而且 對待焊面用600#金相砂紙打磨即可，在較低的和較短的時間內將TiAl基合金與Ni基高溫 合金連接在一起，工藝過程簡單，生產效率高，使焊接成本降低。本實施方式采用Ti箔片作 為接觸反應釬焊的中間層，在升溫過程中Ti與M基高溫合金中的M發生共晶反應，產生 液相，隨著溫度的繼續升高或保溫時間的延長，Ti箔片逐漸熔化，當Ti箔片完全熔化后，使 TiAl母材向熔融液相中溶解擴散，在一定程度上延緩了 TiAl合金側的反應，可以減少TiAl 合金母材向焊縫中的大量溶解，即減少了焊縫中Al的含量，從而減少了大塊狀脆性相的生 成；在本實施方式的條件下，通過控制工藝參數，控制脆性相聚集長大，因此，在界面中生成 的Ti-Ni，Ti-Al, Ti-Ni-Al的合金組織均勻分布在連接界面中，形成良好的冶金結合，盡管 焊縫中生成了脆性相，但都相間、均勻的分布在焊縫中，使接頭性能良好，另一方面，Ti中間 層在與Ni基高溫合金中的Ni迅速發生反應的同時，高溫合金中的合金元素Cr、W、Mo、Co等 也部分溶解進入焊縫，起到強化輝縫的作用，增加脆性相的韌性，本實施方式利用Ti作中間層， 實現了 TiAl與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接，得到的連接接頭的抗剪強度達到240MPa 300MPa,由于焊縫中生成的Ti-Ni，Ti-Al, Ti-Ni-Al的合金組織在800°C的高溫下，均比較穩定， 在800°C高溫時的抗剪強度為180MPa 210MPa，采用簡單的釬焊方法使TiAl基合金與Ni基合 金獲得可靠連接，所得連接接頭可以應用于高溫環境下的航空、航天的熱端部件。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中的Ti箔片的 厚度為50μπι ΙΟΟμπι。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
不同的是步驟一中的Ti箔片的厚 度為80 μ m。其它與具體實施方式
一相同。本實施方式所得的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊連接接頭的抗剪強 度為 260MPa 290MPa。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中Ti 箔片的處理為將Ti箔片放入丙酮中用超聲波清洗IOmin 20min后晾干。其它與具體實
施方式一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中Ti 箔片的處理為將Ti箔片放入丙酮中用超聲波清洗15min后晾干。其它與具體實施方式
一
至三之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟一中 TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面的處理為將待焊面用600#金相砂紙打磨，然后將待
5焊面浸入丙酮中用超聲波清洗IOmin 20min后晾干。其它與具體實施方式
一至五之一相 同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟一中 TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面的處理為將待焊面用600#金相砂紙打磨后，將待焊 面浸入丙酮中用超聲波清洗15min后晾干。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟三中待焊 件以0. 002MPa 0. 009MPa的預壓力固定。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟三中待焊 件以0. 005MPa的預壓力固定。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟三中真空 釬焊爐的真空度為2. OX 10_3Pa 6. OX 10_3Pa。其它與具體實施方式
一至九之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟三中真 空釬焊爐的真空度為4.0X10_3Pa。其它與具體實施方式
一至九之一相同。本實施方式所得的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊連接接頭的抗剪強 度為 250MPa 280MPa。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟三中 真空釬焊爐以8V /min 16°C /min的速度，升溫到795°C 805°C，保溫9min llmin， 再以8°C /min 16°C /min的速度繼續加熱到980°C 1020°C，保溫5min 25min，再以 80C /min 16°C /min的速度降溫到350°C 450°C后，隨爐冷卻至室溫。其它與具體實施
方式一至十一之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟三中 真空釬焊爐以12°C /min的速度，升溫到800°C，保溫lOmin，再以12/min的速度繼續加熱到 1000°C，保溫15min，再以12°C /min的速度降溫到400°C后，隨爐冷卻至室溫。其它與具體
實施方式一至十一之一相同。本實施方式所得的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊連接接頭的抗剪強 度為 240MPa 260MPa。
具體實施方式
十四本實施方式的TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊 連接方法按以下步驟進行一、對厚度為100 μ m的Ti箔片、(α 2+ γ )雙相TiAl基合金及 GH99型Ni基高溫合金的待焊面進行處理；二、將Ti箔片置于TiAl基合金與Ni基高溫合 金之間，構成待焊件；三、將待焊件置于真空釬焊爐中，以0. OlMPa的預壓力固定，然后在真 空度為4. OXlO-3Pa的條件下，以10°C /min的速度，升溫到800°C，保溫lOmin，再以10°C / min的速度繼續加熱到1000°C，保溫lOmin，再以10°C /min的速度降溫到350°C后，隨爐冷 卻至室溫，即完成連接。步驟一中Ti箔片的處理為將Ti箔片放入丙酮中用超聲波清洗IOmin后晾干。步驟一中TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面的處理為將待焊面用600#金相 砂紙打磨，然后將待焊面浸入丙酮中用超聲波清洗15min后晾干。本實施方式得到的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊接頭的掃描電鏡照 片如圖1所示，從圖1可以看出，釬焊接頭中主要有Ti-Ni、Ti-Al、Ti-Ni-Al的化合物生成， 其中，在接頭的中間部位生成的打#1、112附^13附112相比較均勻地分布于焊縫中，沒有單一的化合物呈大塊狀及層狀分布在焊縫中。在GH99/Ti界面處，生成了白色彌散狀分布的 (Ni5Cr)ss組織，對接頭強度提高有利。在Ti/TiAl界面處，Al3NiTi2與Ti3Al相呈相間層片 狀分布，垂直于焊縫長度方向，有利于Ti/TiAl界面結合強度的提高。本實施方式所得的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊接頭的抗剪強度為 297. 4MPa，在800°C高溫時的抗剪強度為210MPa。本實施方式用簡單的釬焊方法，常用的設備實現了 TiAl基合金與M基高溫合金 的釬焊連接，連接溫度最高為1000°C，釬焊的時間為lOmin，在較低的溫度和較短的時間內 將TiAl基合金與Ni基高溫合金連接在一起，工藝過程簡單，生產效率高。
具體實施方式
十五本實施方式的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊 連接方法按以下步驟進行一、對厚度為80 μ m的Ti箔片、(α 2+ γ )雙相TiAl基合金及 GH99型Ni基高溫合金的待焊面進行處理；二、將Ti箔片置于TiAl基合金與Ni基高溫合金 之間，構成待焊件；三、將待焊件置于真空釬焊爐中，以0. OOSMPa的預壓力固定，然后在真 空度為7. OXlO-3Pa的條件下，以15°C /min的速度，升溫到800°C，保溫12min，再以15°C / min的速度繼續加熱到1000°C，保溫5min，再以15°C /min的速度降溫到400°C后，隨爐冷卻 至室溫，即完成連接。步驟一中Ti箔片的處理為將Ti箔片放入丙酮中用超聲波清洗15min后晾干。步驟一中TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面的處理為將待焊面用600#金相 砂紙打磨，然后將待焊面浸入丙酮中用超聲波清洗20min后晾干。本實施方式得到的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊接頭的掃描電鏡 照片如圖2所示，從圖2可以看出，在5min的較短保溫時間內，界面反應已經完成，釬焊接 頭中主要有Ti-Ni、Ti-Al、Ti-Ni-Al的化合物生成，其中，占據焊縫大部分的Ti3Al、Ti2Ni、 Al3NiTi2相比較均勻地分布于焊縫中，在GH99/Ti界面有(Ni，Cr)ss生成，Ti/TiAl界面處， 有呈相間層片狀分布Al3NiTi2與Ti3Al相生成，均有利于焊縫結合強度的提高。本實施方式所得的TiAl基合金與M基高溫合金接觸反應釬焊接頭的抗剪強度為 256MPa，在800°C高溫時的抗剪強度為192MPa。本實施方式用簡單的釬焊方法，常用的設備實現了 TiAl基合金與M基高溫合金 的釬焊連接，連接溫度最高為1000°C，釬焊的時間為5min，在較低的溫度和較短的時間內 將TiAl基合金與Ni基高溫合金連接在一起，工藝過程簡單，生產效率高。
權利要求
TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法，其特征在于TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法按以下步驟進行一、對Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面進行處理；二、將Ti箔片置于TiAl基合金與Ni基高溫合金之間，構成待焊件；三、將待焊件置于真空釬焊爐中，以0.001MPa～0.01MPa的預壓力固定，然后在真空度為1.0×10 3Pa～7.0×10 3Pa的條件下，以5℃/min～20℃/min的速度，升溫到790℃～810℃，保溫8min～12min，再以5℃/min～20℃/min的速度繼續加熱到960℃～1040℃，保溫1min～30min，再以5℃/min～20℃/min的速度降溫到300℃～500℃后，隨爐冷卻至室溫，即完成連接。
2.根據權利要求1所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法，其 特征在于步驟一中的Ti箔片的厚度為50μπι lOOym。
3.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法， 其特征在于步驟一中Ti箔片的處理為將Ti箔片放入丙酮中用超聲波清洗IOmin 20min 后晾干。
4.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方 法，其特征在于步驟一中TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面的處理為將待焊面用600# 金相砂紙打磨，然后將待焊面浸入丙酮中用超聲波清洗IOmin 20min后晾干。
5.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方 法，其特征在于步驟三中待焊件以0. 002MPa 0. 009MPa的預壓力固定。
6.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方 法，其特征在于步驟三中待焊件以0. 005MPa的預壓力固定。
7.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方 法，其特征在于步驟三中真空釬焊爐的真空度為2. OX ICT3Pa 6. OX 10_3Pa。
8.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方 法，其特征在于步驟三中真空釬焊爐的真空度為4. 0 X IO-3Pa0
9.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法， 其特征在于步驟三中真空釬焊爐以8°C /min 16°C /min的速度，升溫到795°C 805°C， 保溫9min llmin，再以8°C /min 16°C /min的速度繼續加熱到980°C 1020°C，保溫 5min 25min，再以8°C /min 16°C /min的速度降溫到350°C 450°C后，隨爐冷卻至室
10.根據權利要求1或2所述的TiAl基合金與M基高溫合金的接觸反應釬焊連接方 法，其特征在于步驟三中真空釬焊爐以12°C /min的速度，升溫到800°C，保溫lOmin，再以 12/min的速度繼續加熱到1000°C，保溫15min，再以12°C /min的速度降溫到400°C后，隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
TiAl基合金與Ni基高溫合金的接觸反應釬焊連接方法，它涉及TiAl基合金與Ni基高溫合金的焊接方法。本發明解決了現有的TiAl基合金與Ni基高溫合金擴散連接方法的工藝復雜、成本高、連接熱循環周期長、效率低及焊件待焊表面要求高、銀釬焊的接頭不耐高溫及高溫釬焊的脆性相易生成聚集長大的問題。本方法將Ti箔片、TiAl基合金及Ni基高溫合金的待焊面處理后，再將Ti箔片置于TiAl基合金與Ni基高溫合金之間，構成待焊件，待焊件在真空釬焊爐中焊接而成。本發明得到的接頭抗剪強度達到240MPa～300MPa，800℃高溫時的抗剪強度為180MPa～210MPa，可用作高溫環境下的航空、航天的熱端部件。
文檔編號B23K1/20GK101972877SQ20101053002
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者何鵬, 劉羽, 李海新, 林鐵松 申請人:哈爾濱工業大學