[发明专利]TiAl合金与Ni基高温合金异种材料连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及异种材料连接技术，TiAl合金与Ni基高温合金异种材料连接方法，可用于航空航天、能源、汽车工业、舰船等技术领域。

背景技术

高温结构材料是当今航空航天、能源、汽车工业等领域的关键材料，特别是航空发动机及工业燃气轮机高温热端部件不可替代的材料。高温材料的开发及用量已经成为衡量一个国家金属材料发展水平的重要标志之一。TiAl基金属间化合物高温合金，是基于航空、航天飞行器及其高推重比发动机为主要需求背景，开发的一类轻质高温材料。其密度为3.7g/cm³-3.9g/cm³，不到Ni基高温合金密度的一半，并且具有高熔点、高比强度和比模量以及良好的高温抗蠕变性能和抗氧化性能等特点，被认为是21世纪极具应用前景的新型轻质高温结构材料。

TiAl合金在航空航天和汽车工业中商业应用是非常具前景的。其中一个广泛的应用就是与Ni基高温合金结合用于减重、降低排放、提高性能和降低成本。通常认为：发动机每减重1kg，飞机减重4kg；航天器减重1kg，可使运载火箭轻500kg；汽车自重每减轻10％，油耗下降6％～8％，排放量下降4％。TiAl合金的密度不到仅有Ni基高温合金的一半，因此，TiAl合金代替或者部分代替Ni基高温合金制造出轻质高效的结构系统必将对航空航天、汽车等核心产业的革新有巨大推动作用，对节能减排环境保护做出巨大的贡献。随之而来的TiAl合金与Ni基高温合金的连接问题成为亟待解决的问题。激光焊具有能量密度高、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小、高温停留时间短、熔化金属量少、光束方向性好等特点，更有利于于异种材料的连接。但是由于TiAl合金与Ni基高温合金之间高差异的物理化学性能，焊缝及界面极易形成Ti-Al-Ni、Ti-Ni等脆性金属间化合物，导致TiAl合金与Ni基高温合金异质材料的焊接性极差。迄今为止，尚无适用于TiAl基合金与Ni基高温合金异种材料激光焊的焊接工艺。基于TiAl合金与Ni基高温合金的物理化学特点及激光焊特点，通过优化填充材料成分和激光焊工艺参数促进TiAl基合金与Ni基高温合金焊缝及TiAl合金侧熔合区冶金反应提高接头的技术思路是可行的。研究开发TiAl合金与Ni基高温合金异种材料连接技术在航空航天、汽车工业等领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TiAl合金与Ni基高温合金异种材料连接方法，解决了现有技术存在的上述问题，填补了行业空白。本发明的工艺步骤为：加钒铜复合中间层(钒铜焊丝)→热源对中→焊接区保护(正面和背面)→熔化焊接。本发明基于钒与钛、铜、铬无限互溶，与铝、镍有限互溶；铜与镍无限互溶，与钛、铬、铝有限固溶，铜、钒固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用钒铜复合填充材料可降低TiAl合金母材熔合比，使焊缝区析出铜、钒固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TiAl合金与Ni基高温合金异种材料焊接接头的强度和韧性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

TiAl合金与Ni基高温合金异种材料连接方法，包括以下工艺步骤：

a)钒铜复合中间层：在TiAl合金与Ni基高温合金界面加钒铜复合中间层，通过钒铜复合中间层填充材料，使焊缝区析出钒、铜固溶体，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头强度和韧性；

b)热源位置：将焊接热源中心置于TiAl合金与Ni基高温合金界面中心，降低TiAl合金母材熔合比，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头性能；

c)焊接保护：采用焊接热源加热熔化界面区，冷却凝固后形成TiAl合金与Ni基高温合金异种材料焊接接头，焊接过程中焊接区正面和背面均通入保护气体，防止H、O、N等对焊接接头性能的有害影响；采用电子束焊时，无需保护气体。

采用TiAl合金与Ni基高温合金板材激光焊接，TiAl合金、Ni基高温合金板材板的厚均为1.0mm，将钒铜复合中间层置于TiAl合金与Ni基高温合金接界面，钒置于TiAl合金侧，界面不留间隙，钒铜复合中间层中钒的厚度为0.2mm，铜的厚度为0.2mm；用脉冲激光热源熔化界面区形成TiAl合金-Ni基高温合金异种材料焊接接头，激光焊接工艺参数：脉冲电流85A；脉冲宽度10ms；脉冲频率6Hz，焊接速度180mm/min，保护气体Ar流量20L/min。