專利名稱：一種適合TiAl基合金材料自身連接的氬弧焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適合TiAl基合金材料自身連接的氬弧焊方法。
背景技術(shù)：
TiAl金屬間化合物合金密度僅3. 8-4. Og/cm3,是鎳基高溫合金的1/2，比鈦合金還低10%;其室溫彈性模量高達(dá)160-170GPa，比鈦合金高30%，而且彈性模量在750°C高溫還能保持150GPa，與GH4169高溫合金相當(dāng)；TiAl基合金還具有高比強(qiáng)度，室溫_800°C強(qiáng)度保持率達(dá)80%，高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，可在760°C -800°C長(zhǎng)期工作，是非常具有發(fā)展前途的輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料。從上世紀(jì)八十年代末至今，國(guó)外已公開報(bào)道了多達(dá)十幾個(gè)TiAl零部件完成了地面裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果非常理想。TiAl基合金的推廣應(yīng)用必然涉及到連接技術(shù)，目前連接TiAl基合金的方法主要包括弧焊、電子束焊、激光焊、釬焊、擴(kuò)散焊和摩擦焊等。其中，弧焊連接作為一種最通用的焊接方法因成本低、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，在工程修復(fù)中應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)外研究學(xué)者關(guān)于TiAl基合金弧焊的焊接性研究主要集中在最基本的可焊性研究，尤其是通過各種方法避免焊接接頭產(chǎn)生裂紋。文獻(xiàn)《Analysis of Gamma Titanium Aluminideffelds Produced by Gas Tungsten Arc Welding》(M. F. ARENAS， V.L. ACOFF. Welding Journal, 2003,82(5) :pll0-115)采用GTA焊接鑄造Ti-48Al_2Cr_2Nb，研究發(fā)現(xiàn)通過控制焊接參數(shù)控制α 2相的含量對(duì)于焊縫的機(jī)械性能及室溫延性非常重要。文獻(xiàn)《Evolution of the weld heat-affected zonemicrostructure in a Ti-48Al-2Cr-2Nb gamma titanium aluminide》(Mallory L 等.Journal of Materials Science Letters,1994 (13) P1061-1065)研究了鑄態(tài)Ti-48Al-2Cr-2Nb合金鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)的焊接性，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱到800°C時(shí)沒有產(chǎn)生裂紋，但是在無預(yù)熱的相同條件時(shí)接頭存在大量裂紋，接頭強(qiáng)度系數(shù)無數(shù)據(jù)報(bào)道。電子束焊與激光焊同屬于熔焊方法，焊接過程存在與弧焊同樣的問題——易出 ^；·《Development of crack-free welds in aTiAl-based alloy》 (M. C. Chaturvedi 等，Materials Processing Technology, 2001，118 :p74_78)研究了 Ti-45Al-2Nb-2Mn-0. STiB2焊接過程中接頭約束及相轉(zhuǎn)變對(duì)電子束焊接的作用。研究發(fā)現(xiàn)，焊接裂紋產(chǎn)生的頻率在α相開始轉(zhuǎn)變時(shí)驟降，α相完全轉(zhuǎn)變時(shí)裂紋產(chǎn)生的頻率變?yōu)榱?，需?duì)電子束焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能得到無裂紋的接頭。文獻(xiàn)《Fundamental study about CO2 Laser Welding of Titanium AluminideIntermetallic Compound》 (Gaku Kuwahara, Shigeru Yamaguchi, KenzoNanri. First International Symposium on Laser PrecisionMicrofabrication :14-16June 2000, Omiya, Saitama, Japan) 用 CO2 ^ ^ 行TiAl合金平板堆焊，激光束斑直徑為0. 5mm，輸出功率為1. 5KW，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)熱溫度為 873K時(shí)，試驗(yàn)得到了無裂紋焊縫。盡管關(guān)于獲得TiAl合金無裂紋焊縫的氬弧焊研究有零星的報(bào)道，但還沒有形成一整套穩(wěn)定控制焊縫質(zhì)量并獲得高強(qiáng)度TiAl合金氬弧焊接頭的方法。已有的研究結(jié)果表明，TiAl基合金可以進(jìn)行熔化焊，但由于Y-TiAl本身滑移系較少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和增殖困難，室溫塑性低及變形能力差，焊接過程中極易出現(xiàn)固態(tài)裂紋。具體到TiAl基合金的弧焊技術(shù)而言，尚處于較低水平，僅局限于如何避免焊接裂紋階段以及焊接接頭的組織研究，而力學(xué)性能方面的報(bào)道鮮見。目前尚缺乏適用于TiAl基合金材料氬弧焊接的實(shí)用技術(shù)。缺乏一整套穩(wěn)定控制焊縫質(zhì)量并獲得高強(qiáng)度的TiAl基合金材料氬弧焊接頭的方法。TiAl基合金弧焊使用的填充材料也未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種具有實(shí)用性，并且能夠滿足TiAl基合金的焊接，以及拓寬TiAl基合金的應(yīng)用范圍的一種適合TiAl基合金材料自身連接的氬弧焊方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，(1)制備TiAl基合金氬弧焊用填充材料，成分原子百分比為A140.0 50. 0、NbO 10. 0、VO 3. 0、MoO 2. 0、CrO 4. 0、Ti 余量；(2)對(duì)待焊的TiAl基合金進(jìn)行焊前熱處理，熱處理溫度為1310 1350°C ；(3)在充氬箱內(nèi)，采用感應(yīng)線圈預(yù)熱待焊試件或待焊部位，測(cè)量被焊TiAl合金距離焊縫20mm以內(nèi)位置處的溫度，預(yù)熱溫度在500 800°C之間；(4)在充氬箱內(nèi)進(jìn)行鎢極氬弧焊焊接；(5)焊后充氬條件下對(duì)焊件進(jìn)行退火熱處理，熱處理溫度為900士50°C。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是①本發(fā)明提出，焊前對(duì)TiAl基合金進(jìn)行熱處理，通過改變TiAl基合金的組織，改善被焊TiAl基合金本身的塑性，從而提高TiAl合金的可焊性。②配合采用感應(yīng)預(yù)熱的方式可以有效抑制焊接裂紋，感應(yīng)線圈的選擇根據(jù)焊件的形狀、大小靈活選擇。采用感應(yīng)線圈加熱待焊部位的速度快、效率高，并且對(duì)于較大尺寸的焊件而言，可以只加熱需要焊接的部位，減少了熱輸入對(duì)其他完好部位的損害，并且節(jié)約能源。感應(yīng)加熱在充氬箱內(nèi)進(jìn)行，避免常規(guī)空氣加熱引起的表面氧化、氫脆等問題。③選擇Ti-Al-Nb系合金作為TiAl合金焊接的填充材料，與基體材料同系，獲得的接頭組織均勻，與母材結(jié)合牢固，焊縫與基體之間過渡平滑。Nb元素對(duì)適當(dāng)改善焊縫塑性提高焊接抗裂性有好處。④本發(fā)明獲得的接頭均無裂紋，TiAl/TiAl接頭的室溫拉伸強(qiáng)度為530 550MPa， TiAl/TiAl接頭的760°C高溫拉伸強(qiáng)度為550 560MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)較高，均達(dá)到了母材 TiAl基合金室溫和高溫拉伸強(qiáng)度的95%左右。
具體實(shí)施例方式(1)通過以下方式制備填充材料①原材料配置，基體元素以0級(jí)海綿鈦和鈦基中間合金形式添加，合金元素Al、 Nb、V、Cr以鈦基、鋁基中間合金或純金屬形式添加，按重量百分比配制，成分原子百分比為 A140. 0 50. 0、NbO 10. 0、VO 3. 0、MoO 2. 0、CrO 4. 0、Ti 余量；②合金熔煉，采用真空電弧熔煉或感應(yīng)熔煉+真空自耗電弧熔煉法進(jìn)行熔煉，為確保合金成分的均勻性，采用上述方法中的一種或多種方法至少熔煉三次，澆鑄成棒或錠；③采用線切割方法將合金棒(或錠)加工至所需尺寸并且去除表面因線切割加工引起的氧化或污染層；( 對(duì)TiAl基合金進(jìn)行焊前熱處理以改善基體材料的塑性，從而提高TiAl基合金的可焊性，焊前熱處理溫度為1310 1350°C，根據(jù)待焊件的尺寸選擇熱處理時(shí)間，選擇的時(shí)間足以使焊件整體均勻受熱。(3)焊件的焊前準(zhǔn)備，加工待焊部位及焊點(diǎn)或焊縫周圍區(qū)域使其光亮，無其他污染物。(4)通過感應(yīng)線圈加熱的方式對(duì)待焊的TiAl基合金進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到 500 800°C之間，為了避免TiAl基合金氧化和吸氫脆化等問題，預(yù)熱操作均在充氬箱內(nèi)完成。(5)預(yù)熱完畢后，即刻對(duì)TiAl基合金進(jìn)行鎢極氬弧焊接操作，TiAl基合金自身之間的焊接選用按技術(shù)方案(1)制備的Ti-Al-Nb系合金的切條作為填充材料。具體焊接工藝參數(shù)根據(jù)焊件尺寸而定，原則是使其焊透。(6)焊接完畢，從充氬箱內(nèi)取出焊接試件，隨后在充氬條件下對(duì)其進(jìn)行焊后退火熱處理，目的是消除焊件的熱應(yīng)力，充氬熱處理溫度900°C，時(shí)間隨試件大小而定。實(shí)施例以下將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述表1各實(shí)施例使用的填充材料
實(shí)施例填充桐清斗焊前熱處理溫度 (0C)預(yù)熱溫度 (°C)AlNbVCrMoTi實(shí)施例150.0002.11.62余1320700實(shí)施例248.02.2102.120余1340650實(shí)施例346.401.051.340余1330740實(shí)施例446.23.311.031.360余1330680實(shí)施例540.09.5000余1350790實(shí)施例642.09.863.223.890余1330750實(shí)施例740.79.863.223.890余1330710實(shí)施例843.98.8902.670.69余1320690實(shí)施例943.98.8902.670.69余1320560
權(quán)利要求
1.一種適合TiAl基合金自身連接的氬弧焊方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)制備TiAl基合金氬弧焊用填充材料，成分原子百分比為A140.0 50. 0、NbO 10. 0、VO 3. 0、MoO 2. 0、CrO 4. 0、Ti 余量；(2)對(duì)待焊的TiAl基合金進(jìn)行焊前熱處理，熱處理溫度為1310 1350°C；(3)在充氬箱內(nèi)，采用感應(yīng)線圈預(yù)熱待焊試件或待焊部位，測(cè)量被焊TiAl合金距離焊縫20mm以內(nèi)位置處的溫度，預(yù)熱溫度在500 800°C之間；(4)在充氬箱內(nèi)進(jìn)行鎢極氬弧焊焊接；(5)焊后充氬條件下對(duì)焊件進(jìn)行退火熱處理，熱處理溫度為900士50°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金自身連接的氬弧焊方法，其TiAl基合金氬弧焊用填充材料成分的原子百分比為A142. 0 50. 0、Nb0 10. 0、V0 3. 0、Mo0 2. 0、Cr0 4. 0、Ti 余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金自身連接的氬弧焊方法，其特征在于 所述的焊前感應(yīng)預(yù)熱，通過S型熱電偶測(cè)量被焊TiAl合金距離焊縫20mm以內(nèi)位置處的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金自身連接的氬弧焊方法，其特征在于 所述的焊前熱處理，熱處理溫度為1320 1340°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金自身連接的氬弧焊方法，其特征在于 所述的焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為650 800°C。
全文摘要
本發(fā)明是一種適合TiAl基合金自身連接的氬弧焊方法。本發(fā)明中通過焊前熱處理改善被焊TiAl基合金本身的塑性，從而提高TiAl基合金的可焊性，焊前選擇的熱處理溫度為1310～1350℃。制備Ti-Al-Nb系填充材料，Ti-Al-Nb系填充材料的具體成分為Al40～50、Nb0～10、V0～3、Mo0～2、Cr0～4、Ti余量。采用感應(yīng)線圈對(duì)焊接部位預(yù)熱，預(yù)熱溫度500～800℃，為了避免TiAl基合金氧化和吸氫脆化等問題，預(yù)熱及焊接操作均在充氬箱內(nèi)完成，焊接完成后，對(duì)焊件進(jìn)行退火去應(yīng)力處理，退火溫度900℃。與電子束焊、激光焊等方法相比相比，該發(fā)明提供的焊接方法操作簡(jiǎn)便，成本低，便于推廣，可用于對(duì)TiAl基合金的鑄件或鍛件進(jìn)行缺陷的補(bǔ)焊，TiAl基合金自身的高效連接。
文檔編號(hào)B23K9/23GK102229018SQ20111010788
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者劉文慧, 周標(biāo), 張學(xué)軍, 李能, 熊華平, 郭紹慶 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院