[发明专利]一种过渡液相辅助固相连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种过渡液相辅助固相连接技术，属于瞬间液相连接与扩散焊的混合技术；适用于单晶材料的高效连接，尤其适用于航空发动机涡轮叶片等高温结构材料的连接。

背景技术

金属间化合物、复合材料、非晶态材料及单晶材料等新材料，采用传统的熔焊方法很难实现可靠连接。国内外主要采用钎焊、瞬间液相扩散焊（TLP）、固相扩散焊等方法。

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。相比熔焊方法，钎焊具有母材不熔化，钎料熔化冷却凝固连接母材的优点，然而这也导致钎焊接头的强度及使用温度较低，而且接头组织易形成脆性相等缺点。

瞬间液相扩散焊是用一种特殊成分、熔化温度较低的薄中间层作为过渡合金，放置在连接面之间。施加较小的压力或不施加压力，在真空条件下加热到中间层合金熔化，液态的中间层合金润湿母材，在连接界面间形成均匀的液态薄膜。经过一定的保温时间，中间层合金与母材之间发生扩散，合金元素趋向与平衡，形成牢固的连接。瞬间液相扩散焊由于其能获得接近母材性能的接头，广泛应用于航空、航天、核工业中。然而，瞬间液相扩散焊中间液相需要经常长时间的等温凝固才能获得组织均匀的接头，部分残留的降熔元素（B、Si）使接头的使用温度降低，这极大的限制了其应用。

固相扩散焊不需添加降熔元素，可获得使用温度较高的接头，并且可焊接其他熔焊难以焊接的材料等优点广泛受到关注。常规的固相扩散焊，是在一定的温度和压力下，经过一定的时间，焊件接触界面原子间相互扩散而实现的可靠连接。固相扩散焊解决了许多用熔焊方法难以连接的材料的可靠连接。但由于其连接过程中材料处于固相，其对连接界面表面平整度、粗糙度较苛刻，以及表面氧化膜层及加工硬化层的存在也影响着接头的性能。因此，要获得性能良好的固相接头，必须去除表面氧化膜层及加工硬化层，为母材的连接创造固相扩散焊的条件。

结合渡液相扩散焊及固相扩散焊的特点，将过渡液相扩散焊的液相形成过程与固相扩散焊复合，获得固相连接接头，同时，克服一般钎焊、过渡液相扩散焊和固相扩散焊的诸多缺点，能实现高温合金材料快速固相连接，避免固相焊接头表面清理的复杂工序，降低残留降熔元素对接头高温性能的不利影响，特别适用于航空发动机涡轮叶片的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡液相辅助固相连接方法，该方法可用于单晶等高温合金的固相焊接。

本发明是这样来实现的，一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是方法步骤为：待焊材料表面打磨处理，并尽量保证待焊材料的晶体取向一致，在待焊材料之间加入含降熔元素的中间层，在真空扩散焊炉中，加热至中间层熔点与待焊材料熔点之间，通过降熔元素与待焊材料之间的互扩散，使得待连接件表面层局部液化，随即施加一定的顶锻力，将液相挤出，去除表面物理及化学不均匀层，并在顶锻力的作用下，使两待焊件达到原子间距离，继续短时保温扩散，快速形成固相连接。

本发明中待焊材料表面打磨处理是采用240-1000#砂纸打磨，保证一定的平整度及粗糙度。

本发明中的保证待焊材料的晶体取向一致，即保证待焊材料取向与连接面相垂直，并且两待焊界面之间保持匹配关系，使得待焊材料晶体取向一致。

待焊件装配，尽量保证待焊材料取向与连接面相垂直，并且两待焊界面之间保持匹配关系，为了保证待焊材料晶体取向的一致性。

本发明中的含降熔元素的中间层，一般采用厚度在10~100μm之间的非晶态箔片材料，降熔元素为含有能和待焊材料元素反应并形成低熔点化合物的元素（B，Si，Hf，Zr），采用非晶箔片材料的目的是为了降低焊接温度，减少焊接高温对待焊材料本身性能的影响。

本发明中的所述的施加顶锻力的时刻为待焊材料表面液化达到最大时，此时，中间液相成分达到均匀化，且等温凝固尚未发生，能有效去除待焊表面不均匀层。此时，中间液相成分达到均匀化，且等温凝固尚未发生，能有效去除待焊表面不均匀层。

本发明中的所述的顶锻力，其大小在1MPa~50MPa之间，其施加方向保证垂直于接触面。