[发明专利]一种获取高断裂韧性的TC18钛合金扩散连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金固态焊接领域，具体是一种获取高断裂韧性的TC18钛合金扩散连接方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、中温性能好等诸多优点，是制造航空航天工业所需先进复杂结构件的重要材料之一，而扩散连接技术是复杂整体结构件重要的成形手段，在满足结构设计和制造要求的同时兼有提高材料利用率等优势，因而国内外学者均对钛合金扩散连接技术进行了研究。

Boeing公司在公开号为US7785429的专利中公开了一种获取高强高韧钛合金的热处理方法，该方法将钛合金加热至相转变温度以上保温获得β相，而后控制冷却速度低于30℉/min，冷却至相变点以下的时效温度并保温，从而获得全片层组织，且合金相较传统锻造、轧制退火状态具有更高的断裂韧性和抗拉强度。但该方法仅仅适用于热处理后获得高强高韧的钛合金，如果将该方法用于扩散焊接，会引起扩散连接件显微组织的恶化，同时由于该方法的实施成本高，造成人力物力的浪费。

文献“Microstructures and interfacial quality of diffusion bonded TC21titanium alloy joints,Hui-jie LIU,Xiu-li FENG.Trans.Nonferrous Met.Soc.China21(2011)58-64”对TC21钛合金在不同扩散温度下显微组织的演化情况进行了研究，给出了优化的扩散连接温度值，并发现钛合金在β相区进行扩散连接，界面闭合迅速，连接质量高。但是并未继续探讨扩散连接工艺对TC21钛合金母材显微组织的影响和由此引起的性能变化，更未涉及组织与性能控制技术。

TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，相变点为870℃，900℃下应变速率为0.1s^-1时变形抗力为100MP，应变速率为1s^-1时变形抗力为155MPa，属于近β型钛合金。相较其它钛合金而言，TC18钛合金相变温度低、显微组织热稳定性弱，在较高温度下进行扩散连接时极易造成母材与接头的组织粗化，导致材料性能恶化，但扩散连接温度过低导致接头的连接质量降低，因此，选取能够获取高连接质量的近β钛合金扩散连接温度难度大，限制了TC18钛合金扩散连接技术的发展。此外，在整体构件制造中，材料的热处理与扩散连接是两道工序，实现过程中存在一定程度的矛盾：采用热处理后材料进行扩散连接，造成材料组织在连接过程中发生恶化，从而影响构件性能；而连接后对整体构件进行热处理以调整构件材料组织性能，技术难度高并易造成构件变形，消耗人力、能源。上述缺点限制了扩散连接在钛合金重要结构件制造过程中的应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的TC18钛合金扩散连接温度不易控制、材料的热处理与扩散连接分为两道工序，热处理后材料进行扩散连接时，材料组织在连接过程中发生恶化，从而影响构件性能的不足，本发明提出了一种获取高断裂韧性的TC18钛合金扩散连接方法。

本发明的具体过程是：

步骤1：试件待连接表面处理。试样表面进行打磨并抛光，使待连接表面呈现镜面效果；将试样浸入丙酮中超声波除油处理1h，并置于丙酮中保存。

步骤2：试样的相变与扩散连接。将待连接的各试样组合后放入真空扩散焊机内实施相变与扩散连接；在实施扩散连接时，对真空扩散焊机炉腔抽真空至真空度为5×10^-3Pa～7×10^-3Pa时，以5～30℃/min的升温速率使真空扩散焊机炉腔温度升至880～900℃，通过真空扩散焊机的石墨压头对试样施加5～20MPa的轴向压力并保持1～2h，加压中保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa～7×10^-3Pa以下，并保持真空扩散焊机炉腔温度为880～900℃。得到连接后的TC18钛合金全β相试样。

步骤3：实施组织演化控制；继续保持真空扩散焊机炉腔真空度在5×10^-3Pa以下，并保持对得到的TC18钛合金全β相试样施加5～20MPa的轴向压力；调整加热功率，使控制真空扩散焊机炉腔温度以1～10℃/min的冷却速度降至600～700℃后保温1～2h，同时位于真空扩散焊机内的试样以1～10℃/min的冷却速度降至600～700℃并保温1～2h。保温结束后使真空扩散焊机内的温度降至室温，同时位于真空扩散焊机内的试样随炉冷却至室温。得到组织演化控制后的TC18钛合金全β相试样。

所述试样为钛合金锻态试样。