[发明专利]一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法

说明书

本发明公开一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，主要包括步骤：步骤一，将加工好的结构钢轴和镍基高温合金过渡体进行摩擦焊，然后进行退火处理；步骤二，将钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体的端部配合面设计为波纹状，在钛铝合金涡轮轴端部放置钎料，采用感应加热方式对镍基高温合金过渡体进行加热，将加热好的镍基高温合金过渡体向下压入装配好钎料的钛铝合金涡轮轴中；步骤三，将过盈装配的钛铝涡轮转轴，在真空钎焊炉中钎焊处理，通过钎料熔化后的扩散实现钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体端面的冶金结合。本发明增加了钛铝合金涡轮轴与过渡体端面的钎焊冶金结合强度，进而大幅提升了钛铝涡轮转轴的连接强度。

技术领域

本发明涉及钛铝合金涡轮与钢轴连接技术领域，特别是涉及一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法。

背景技术

钛铝合金是一种新型轻质高温结构材料，将这种材料代替较重的镍基高温合金应用于车辆发动机增压器涡轮，可通过降低转动惯量而显著提高发动机的加速性响应性，且具有显著的节能减排效果。钛铝合金增压器涡轮的应用已被列为先进内燃机轻量化技术发展的必然趋势。为进行钛铝合金增压器涡轮的装配，需要将钛铝合金涡轮与结构钢轴(通常为40Cr或42CrMo钢)连接起来，而且考虑到增压器涡轮转轴是一种高速转动部件(转速高达5万rpm到20万rpm)，连接部位可靠性要求较高。

然而，由于钛铝合金属于一种脆性材料，且由于钛铝合金与结构钢的热物性参数差异较大，直接实现钛铝合金与结构钢的焊接难度极大。例如：专利ZL02133239.8报道一种通过钛/镍复合梯度扩散焊接工艺进行钛铝合金与钢之间的连接，但由于焊接接头界面生成了多种脆性相，例如TiC、FeC、Ti2AlC、Ti3AlC、TiNiC，这种接头较脆，接头强度稳定性差。如果采用这种连接方案进行钛铝涡轮与结构钢轴的直接连接，并不适用于高速转动部件。又如：专利CN200510010401.6报道一种通过内螺纹和钎焊工艺实现涡轮与结构钢轴的直接连接工艺；专利CN201310384372.4报道了螺纹+过盈配合的连接工艺。但考虑到钛铝合金属于脆性材料，螺纹加工过程中容易出现崩边等现象，且还需将螺纹进行过盈装配，这些含有螺纹结构的连接对加工的要求极为苛刻，因此，无法实现工业化应用。因此，目前尚无将钛铝合金涡轮与结构钢轴直接连接的有效技术。

为实现钛铝涡轮与结构钢轴的连接，多个专利报道了钛铝涡轮与结构钢轴的三体连接方案。此外，多个文献和专利报道了不同结构和形式的三体连接技术。例如：日本大同制钢株式会社开发了一种电子束焊+钎焊的三体连接工艺EP0837221A2，首先将钛铝涡轮与镍基高温合金套进行钎焊，之后再采用电子束焊接连接到结构钢轴上；日本将这种技术应用于民用汽车领域的钛铝合金增压器涡轮。这种工艺主要应用于尺寸较小的涡轮转轴(涡轮外径80mm以下)。再如：专利200810110548.6在钛铝涡轮与结构钢轴之间增加了镍基高温合金过渡体，首先通过摩擦焊将结构钢与镍基高温合金过渡体连接起来，加工之后再通过圆周面的过盈连接将镍基高温合金与钛铝涡轮连接起来。这种连接技术主要应用于转动惯量较小的中等尺寸涡轮转轴(涡轮外径90～140mm)，连接吨位能够满足轴系使用的要求。但这种技术应用于转动惯量较大的大尺寸涡轮转轴时，由于轴系结构限制了过盈配合的长度尺寸，使得连接吨位无法满足高转动惯量的应用需求。这就需要一种连接吨位更高、可靠性更高的连接技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，以解决上述现有技术存在的问题，增加了钛铝合金涡轮轴与过渡体端面的钎焊冶金结合强度，进而大幅提升了钛铝涡轮转轴的连接强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，包括如下步骤：

步骤一，将加工好的结构钢轴和镍基高温合金过渡体进行摩擦焊，将经摩擦焊后得到的摩擦焊组件进行退火处理；