[發明專利]Ti-Al系合金環形件擴散連接的方法

有效

• 申請號: 201811223935.0
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109226954B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 李金山;張曉強;唐斌;朱雷;寇宏超;王軍;王毅;孫智剛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B23K20/02
• 分類號: B23K20/02;B23K20/14;B23K20/233;B23K20/24
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

一種Ti?Al系合金環形件擴散連接的方法，通過控制高溫區間的冷卻速率以控制熱應力的大小，確保高溫時接頭不被破壞；在高溫區間內階梯保溫能夠起到消除部分殘余應力的效果，避免最終殘余應力過大，造成連接界面開裂。本發明提供了完整的包含加工至擴散連接全過程的預防擴散連接開裂的方法，并在關鍵節點進行探傷，有助于在實際生產過程中更加精確的實現過程監控，更加清楚的判定問題產生的環節，實現工藝調整。本發明也對其他合金環形結構件的焊接以及Ti?Al系合金其他焊接方法預防焊接裂紋的產生提供參考。

技術領域

本發明涉及金屬間化合物的擴散連接，具體是一種在Ti-Al系合金環形件加工以及擴散連接過程中預防裂紋產生的方法。

背景技術

Ti-Al系金屬間化合物，具有低密度、高比強和良好的抗氧化性等特點，是理想的輕質高溫金屬結構材料，在航空發動機與航天飛行器等領域擁有廣泛的應用前景。其中TiAl合金的使用溫度可達700-900℃，Ti₂AlNb合金使用溫度可達650℃。但是，Ti-Al系合金具有本征脆性及難加工性，機械加工中易引入殘余應力，可能導致后續過程中產生裂紋，限制了其應用。擴散連接中母材無需熔化，可以有效的減小異種合金連接時產生的熱應力，避免熔焊時產生的熱裂紋等缺陷，是實現異種合金復雜結構件連接的有效方法，但是仍無法完全消除熱應力以及殘余應力對連接件后續使用的影響。因此避免TiAl/Ti₂AlNb合金在機械加工過程產生裂紋以及控制環形結構件連接過程中殘余應力的大小是預防焊接開裂的關鍵。環形結構的連接件，因其結構的特殊性，導致其殘余應力的大小以及分布同常規結構差異較大，控制并消除殘余應力更加困難。研究學者針對這一難題進行了相關研究，分析了加工以及擴散連接過程中殘余應力的大小以及分布，并提出了控制及消除方法。

文獻“膨脹壓差法擴散連接殘余應力數值模擬”研究了鈦合金(Ti-6Al-4V)以及銅合金(QA110-3-1.5)筒形件的擴散連接。在850℃-60min-10μm間隙配合工藝條件下，實現了鈦合金與銅合金筒形件的擴散連接，但是在靠近端面的接觸界面上存在明顯的未焊合區域，殘余應力較大。該方法是利用外層金屬Ti-6Al-4V合金膨脹系數較小，通過簡單間隙裝配在加熱過程中即可獲得大小合適的膨脹壓差。但是該方法在擴散連接冷卻階段會在擴散連接界面上產生較大的殘余拉應力，容易造成擴散連接界面焊后開裂。

西北工業大學唐斌等人在公開號為CN107745178A的發明專利中提出一種利用特殊夾具與外層TiAl合金輪緣在加熱過程中產生的膨脹壓差實現擴散連接的方法。該方法利用夾具實現對TiAl合金輪緣膨脹的部分限制，使其相對Ti₂AlNb膨脹較小，在界面上產生膨脹壓差，實現擴散連接。該方法雖然能實現外層金屬膨脹系數更大的環形件擴散連接，但是其整體的應力比較大，盡管在冷卻至800℃時保溫30min會消除部分殘余應力，TiAl合金輪緣最終殘余壓應力仍接近200MPa，對后續的熱處理以及機械加工可能存在有害作用。

目前，對TiAl/Ti₂AlNb合金加工以及擴散連接過程中殘余應力的研究還不夠深入，通常僅僅考慮擴散連接過程的殘余應力而忽略了加工過程可能存在殘余應力引起開裂現象。因此有必要統籌考慮加工過程、擴散連接過程中的殘余應力以及氧化等導致開裂的因素，制定合適的工藝控制整個過程中殘余應力，預防TiAl/Ti₂AlNb環形結構擴散連接件產生裂紋。

發明內容

為克服現有技術中存在的僅考慮擴散連接過程的殘余應力而忽略了加工過程存在殘余應力而引起開裂現象的問題，本發明提出了一種Ti-Al系合金環形件擴散連接的方法。

本發明的具體過程是：

步驟一：TiAl/Ti₂AlNb合金擴散連接件的加工

所述的TiAl/Ti₂AlNb合金擴散連接件包括TiAl合金輪緣和Ti₂AlNb合金輪芯。