專利名稱：一種適合TiAl基合金材料與鈦合金的氬弧焊方法
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基合金與鈦合金材料與鈦合金的氬弧焊方法。
背景技術(shù)：
TiAl金屬間化合物具有比重輕(約為3. 8g/cm3)、比強(qiáng)度高、剛性好、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的、具有研究開發(fā)應(yīng)用前景的航空、航天、 軍事及民用的新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，可用于替代部分鈦合金材料滿足高溫工作的需求。但 TiAl基合金具有較低的室溫塑性，室溫延伸率僅為 2%，不能用于對(duì)塑性有要求的結(jié)構(gòu)或部位。根據(jù)材料的各自特點(diǎn)及使用條件的不同，將TiAl基合金與其他常規(guī)合金進(jìn)行連接更具應(yīng)用價(jià)值。如=TiAl基合金與鈦合金之間的連接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鈦合金與TiAl組件的制造，此技術(shù)可以同時(shí)保證鈦合金部分優(yōu)良的低溫塑性和TiAl部分耐高溫的需求，無疑可以擴(kuò)大TiAl基合金的工業(yè)應(yīng)用范圍。當(dāng)前的研究表明，大多數(shù)焊接方法均可以用于TiAl基合金，其中固態(tài)連接， 如擴(kuò)散焊、摩擦焊等被認(rèn)為是較為有效的連接技術(shù)。文獻(xiàn)《Investigation into the microstructure and mechanical properties ofdiffusion bonded TiAl alloys》 (G Gam等，J Mater Sci，2006，41 :p5273-5282)報(bào)道在 1000°C /10MPa/5h 擴(kuò)散焊條件下對(duì)Ti-48at ^AlUatW (Nb, Cr，C)合金的連接接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到388MPa，雖然焊后熱處理(1430°C /30min)會(huì)提高接頭的強(qiáng)度，但形成的粗晶組織也引起了接頭的脆化。文獻(xiàn) 《Solid-state diffusion bonding of gamma-TiAlalIoys using Ti/Al thin films as interlayers)) (L. I. Duarte 等，Intermetallics, 2006,14 :pll51_1156)還提出用 Ti/Al 交替變化的微米厚度薄膜作為中間層進(jìn)行TiAl的擴(kuò)散焊研究，以達(dá)到在較低的擴(kuò)散焊溫度下通過較短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。Glatz和Clemens對(duì)Ti-47Al-2Cr-0. 2Si (at. % )/ Ti-6Al-4V(wt%)組合進(jìn)行擴(kuò)散焊連接。探索Y-TiAl合金與傳統(tǒng)航空用鈦合金連接的可能性。經(jīng)1000°C /20MPa/;3h擴(kuò)散焊，獲得了完好接頭，且接頭的室溫和700°C拉伸強(qiáng)度較高。擴(kuò)散焊方法需要將被焊母材TiAl合金和鈦合金置于擴(kuò)散焊設(shè)備中，加熱至被焊溫度(ΙΟΟΟ 左右)并保溫一定時(shí)間(以保證元素充分?jǐn)U散)，雖然整體加熱接頭內(nèi)的熱應(yīng)力較小，對(duì)于TiAl難焊材料而言是有利的，但以下缺點(diǎn)限制了固相擴(kuò)散焊的使用(1)對(duì)配合面要求很高；(2)要求采用較大的壓力，如3. 5 35MPa ； (3)對(duì)于復(fù)雜形狀的工件不可能均勻加壓，甚至還需要昂貴的和復(fù)雜的夾具。《Investigation of Friction Welding Ti Aluminides.》(H Horn. ProcEuro. 1, November 1991，Srasbourg, France, p441_448.)對(duì)TiAl的摩擦焊連接界面的研究結(jié)果進(jìn)一步證明了界面重結(jié)晶區(qū)的產(chǎn)生?！禩iAl金屬間化合物^摩擦壓接特性》(宮下卓也，日本金屬學(xué)會(huì)志，1994，58 O) :p215-220.)用近等原子比的Ti_33. 8A1 (wt，% )進(jìn)行了摩擦焊試驗(yàn)，在最佳連接規(guī)范參數(shù)條件下斷裂發(fā)生在母材，抗拉強(qiáng)度達(dá)539MPa。接頭組織分析表明，界面區(qū)由微細(xì)再結(jié)晶區(qū)、纖維狀組織和塑性流動(dòng)層區(qū)構(gòu)成。通過降低摩擦應(yīng)力，重新控制成分的熱處理，可以獲得重復(fù)性好和可靠的TiAl摩擦焊件。異種材料之間的連接都是研究的重點(diǎn)之一，TiAl基合金亦不例外。國外眾多知名公司如羅-羅、戴姆勒-克萊斯勒、豐田汽車公司、大同鋼鐵等均研究了 TiAl基合金與鋼之間的摩擦焊接，用于渦輪轉(zhuǎn)子與鋼軸的組合連接，獲得了強(qiáng)度較高的接頭。 US6^1086專利采用摩擦焊Y-TiAl和鋼渦輪增壓器組件，中間層為鐵基合金A486， 獲得接頭強(qiáng)度為412MPa，斷裂位置位于TiAl母材。文獻(xiàn)《Effects of copper insert layer onthe properties of friction welded joints between TiAl and AISI4140 structuralsteel.》(Won-Bae Lee, Intermetallics,2004 (12) :671-678)研究了 Τ -47Α1 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% )和AISI4140鋼異種材料摩擦焊的可能性。采用純Cu作中間層后在接頭形成了 TiAl/AlCu2Ti/TiCu4/AISI41 40反應(yīng)層，接頭中央形成Cu2Ti相，而且夾層厚度控制在200 μ m或300 μ m時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度分別為345MPa或375MPa，斷裂發(fā)生在TiAl 母材。摩擦焊接方法可以解決一些特殊結(jié)構(gòu)的焊接問題，但是對(duì)接頭形式有很大的限制，在很多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合并不適用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了 TiAl基合金與TC4合金異種材料電子束焊接，研究結(jié)果表明，Ti-43Al-9V-0. 3Y/TC4異種材料電子束焊接接頭成形良好，無咬邊缺陷，但焊后接頭 TiAl—側(cè)容易產(chǎn)生裂紋。由于宏觀裂紋出現(xiàn)在TiAl —側(cè)，針對(duì)此現(xiàn)象，研究側(cè)偏焊方式(偏向TC4側(cè))進(jìn)行電子束焊接，最佳工藝條件下，獲得接頭強(qiáng)度達(dá)到420MPa。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、中國兵器工業(yè)集團(tuán)第七〇研究所、鋼鐵研究總院，采用摩擦焊連接鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸鋼，達(dá)到焊接面的冶金結(jié)合與機(jī)械連接的雙重效果， 連接件接頭室溫拉伸強(qiáng)度由背景技術(shù)的390MI^提高到480 537MPa，解決了連接接頭拉伸強(qiáng)度低的技術(shù)問題。

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基合金材料與鈦合金的氬弧焊方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，(1)焊接選擇TA0-1或TC4或與被焊鈦合金母材同牌號(hào)的鈦合金焊絲作為焊接填充材料；(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；(5)焊后對(duì)焊件進(jìn)行退火熱處理，熱處理溫度選擇被焊鈦合金的完全去應(yīng)力退火溫度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明在焊前對(duì)TiAl基合金進(jìn)行熱處理，使TiAl的組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄暂^好的雙態(tài)組織，配合采用感應(yīng)預(yù)熱的方式可以有效避免焊接裂紋，在充氬箱內(nèi)進(jìn)行感應(yīng)預(yù)熱，還可克服常規(guī)空氣加熱引起的表面氧化問題，可以針對(duì)被焊件的大小和形狀選擇不同的感應(yīng)預(yù)熱線圈。選擇TA0-1焊絲或TC4或者與被焊鈦合金同牌號(hào)的焊絲作為 TiAl基合金與鈦合金焊接的填充材料，因其塑性比TiAl材料好得多，可使接頭裂紋敏感性降低。采用鎢極氬弧焊的焊接方法，相對(duì)于電子束焊不僅操作方便，而且對(duì)焊接設(shè)備投入低，相對(duì)于電子束焊、摩擦焊也易于推廣，獲得TiAl/鈦合金接頭室溫拉伸強(qiáng)度為400 490MPa，達(dá)至Ij TiAl 母材的 80% 95%。
具體實(shí)施例方式TiAl基合金與鈦合金的焊接方法是，(I)TiAl基合金與鈦合金焊接選用填充材料TA0-1焊絲或TC4或與鈦合金同牌號(hào)的焊絲；( 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，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，采用S型熱電偶測(cè)量被焊TiAl材料距離焊縫20mm左右的位置處的預(yù)熱溫度，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到500 800°C之間停止加熱，為了避免TiAl材料氧化和吸氫脆化等問題，預(yù)熱操作在充氬箱內(nèi)完成；(5)預(yù)熱完畢后，隨即對(duì)TiAl基合金與鈦合金進(jìn)行鎢極氬弧焊接操作，選用的填充材料，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，隨后對(duì)其進(jìn)行焊后退火熱處理，熱處理溫度選擇鈦合金完全去應(yīng)力溫度(一般溫度范圍在500 700°C )，時(shí)間隨試件大小而定。實(shí)施例表1各實(shí)施例使用的填充材料
權(quán)利要求
1.一種適合TiAl基合金材料與鈦合金的氬弧焊方法，其特征在于該方法的步驟是(1)焊接選擇TA0-1或TC4或與被焊鈦合金母材同牌號(hào)的鈦合金焊絲作為焊接填充材料；(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；(5)焊后對(duì)焊件進(jìn)行退火熱處理，熱處理溫度選擇被焊鈦合金的完全去應(yīng)力退火溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金材料與鈦合金的氬弧焊方法，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，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到500 800°C之間停止加熱，預(yù)熱在充氬箱內(nèi)進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金材料與鈦合金的氬弧焊方法，其特征在于所述的焊前熱處理，熱處理溫度為1320 1340°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合TiAl基合金與鈦合金的氬弧焊方法，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)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適合TiAl基合金與鈦合金材料與鈦合金的氬弧焊方法。(1)焊接選擇TA0-1或TC4或與被焊鈦合金母材同牌號(hào)的鈦合金焊絲作為焊接填充材料；(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℃；(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℃之間；(4)在充氬箱內(nèi)進(jìn)行鎢極氬弧焊；(5)焊后對(duì)焊件進(jìn)行退火熱處理，熱處理溫度選擇與被焊鈦合金的完全去應(yīng)力退火制度。本發(fā)明獲得的接頭室溫拉伸強(qiáng)度為400～490MPa，達(dá)到TiAl母材的80％～95％。
文檔編號(hào)B23K9/235GK102229019SQ20111010789
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:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院