γ‑TiAl合金与TC17合金的固态连接方法与流程

本发属于固态连接领域，具体涉及一种γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接方法。

背景技术：

航空发动机服役环境复杂，不同部位对材料的服役性能要求不同，采用具有不同性能特点的合金进行连接制造异种合金复合构件，不仅可以获得良好的整体性能，还可以提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本。γ-TiAl合金及钛合金均属于轻质高强合金，具有优异的综合性能，可以满足航空发动机不同部位的使用性能要求，广泛应用于制造高性能轻量化结构件。γ-TiAl合金与钛合金的连接是制造航空发动机高性能构件的关键技术，具有广泛的应用前景，可以进一步扩大γ-TiAl合金与钛合金的适用范围并发挥二者的综合性能优势。

γ-TiAl合金及钛合金自身成形性能较差，高温时化学性质活泼，易与空气等发生化学反应，传统的焊接方法不适用于二者的连接。固态连接是适用于γ-TiAl合金与钛合金的理想连接方法，固态连接过程中材料结合面不发生熔化，不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷和焊接脆化现象，也不存在具有过热组织的热影响区，连接接头组织性能好。

文献1“M Holmquist,V Recina,B Pettersson.Tensile and creep properties of diffusion bonded titanium alloy IMI 834to gamma titanium aluminide IHI Alloy 01A,Acta Materialia,1999,47(6):1791-1799”公开了一种γ-TiAl合金/IMI 834钛合金的固态连接方法，在连接温度980℃，连接时间1h，连接压力200MPa条件下获得了拉伸性能与γ-TiAl合金母材相似的接头；但是，IMI 834钛合金母材完全发生了β转变，母材拉伸性能下降。

文献2“X.R.Wang,Y.Q.Yang,X.Luo,W.Zhang,G.M.Zhao,B.Huang.An investigation of Ti-43Al-9V/Ti-6Al-4V interface by diffusion bonding,Intermetallics,2013,36:127-132”公开了一种γ-TiAl合金(Ti-43Al-9V)/Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的固态连接方法，首先在920℃/45MPa/2h条件下进行了γ-TiAl合金与钛合金的真空热压，然后在920℃条件下保温5h和17h或者在1100℃条件下保温1h。高温下的较长时间保温促进了连接接头处的冶金结合，增大了界面过渡区宽度，但是钛合金基体发生晶粒长大或者β转变，导致钛合金基体性能降低。

文献3“授权公告号是CN102581467B的中国发明专利”公开了一种钛铝基合金与钛合金(TC4)的扩散连接方法，首先在连接前对钛铝基合金进行真空热处理，热处理温度为1330～1360℃，保温时间为10～40min；热处理后的钛铝基合金与钛合金在连接温度为850～930℃，连接压力为70～80MPa，连接时间为1h条件下进行扩散连接；连接后在860℃下进行时间为30min的退火。采用该方法获得的接头强度与钛铝基合金母材接近，但是较高的连接前热处理温度和连接温度容易引起母材的组织粗化，使得母材性能降低。

由上述文献可以看出，在现有的γ-TiAl合金与钛合金的固态连接方法中，连接温度过高，或者连接前/后热处理温度过高，恒温保压时间长，一方面对工装材料要求高，生产率低，生产成本高，另一方面使得母材微观组织恶化，影响连接件的使用性能和使用可靠性。

技术实现要素：

为了克服现有γ-TiAl合金与钛合金的固态连接方法恒温保压时间长的不足，本发明提供一种γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接方法。该方法(a)连接表面打磨并进行超声波清洗；(b)连接试样紧密贴合；(c)固态连接，连接时真空度为5×10^-3～5Pa，温度为800～850℃，恒温加压10～30min，使得TC17合金高度压下量达到40％～60％，空冷；(d)对连接试样进行热处理，热处理温度为800～850℃，保温时间为60～120min，空冷。本发明通过控制固态连接时TC17合金的塑性变形以及后续热处理，促进了连接界面处的冶金结合，使得连接温度降低50℃以上，恒温保压时间由背景技术的大于60min缩短至10～30min。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接方法，其特点是包括以下步骤：

(a)采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#SiC水砂纸，分别逐级打磨γ-TiAl合金和TC17合金连接试件的连接表面；然后将试件放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为10～15min，最后用吹风机吹干。

(b)将表面清理后的γ-TiAl合金与TC17合金试件紧密贴合，置入热模拟试验机中，然后抽取真空。

(c)真空度达到5×10^-3～5Pa时，以10～20℃·s^-1的速率升温至800～850℃，保温5min，试件受热均匀后恒温加压10～30min，使得TC17合金高度压下量达到40％～60％；最后卸压降温，连接试件空冷至室温。

(d)将连接试件置入温度为800～850℃的热处理炉中，加热10min，连接试件受热均匀后保温60～120min，最后空冷至室温。

本发明的有益效果是：该方法(a)连接表面打磨并进行超声波清洗；(b)连接试样紧密贴合；(c)固态连接，连接时真空度为5×10^-3～5Pa，温度为800～850℃，恒温加压10～30min，使得TC17合金高度压下量达到40％～60％，空冷；(d)对连接试样进行热处理，热处理温度为800～850℃，保温时间为60～120min，空冷。本发明通过控制固态连接时TC17合金的塑性变形以及后续热处理，促进了连接界面处的冶金结合，使得连接温度降低50℃以上，恒温保压时间由背景技术的大于60min缩短至10～30min。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法固态连接前母材微观组织的光学照片，其中图1(a)为γ-TiAl合金的微观组织，图1(b)为TC17合金的微观组织。

图2是本发明方法实施例1得到的母材微观组织形貌的扫描电镜照片，其中图2(a)为γ-TiAl合金的微观组织，图2(b)为TC17合金的微观组织。

图3是本发明方法实施例1得到的γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接接头扫描电镜照片。

图4是本发明方法实施例2得到的母材微观组织形貌的扫描电镜照片，其中图4(a)为γ-TiAl合金的微观组织，图4(b)为TC17合金的微观组织。

图5是本发明方法实施例2得到的γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接接头扫描电镜照片。

具体实施方式

以下实施例参照图1-5。所使用的γ-TiAl合金母材微观组织由初生γ(TiAl)相、少量弥散在γ(TiAl)相晶间的α₂(Ti₃Al)相组成(见图1(a))，TC17合金母材微观组织由初生α相、少量弥散分布的次生α相及β基体组成(见图1(b))，进行固态连接的γ-TiAl合金和TC17合金试件尺寸均为Ф8mm×6mm。

实施例1：

本实施例的具体实施步骤如下：

依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#SiC水砂纸，分别逐级打磨γ-TiAl合金和TC17合金试件的连接表面；然后将试件放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为10min，最后用吹风机吹干。将经过表面处理的γ-TiAl合金与TC17合金试样的待连接表面紧密贴合在一起，置入Gleeble-3500型热模拟试验机中，然后抽取真空。当真空度达到5Pa时，开启加热系统，以10℃·s^-1的升温速率升温至850℃，保温5min，使得试件受热均匀；开启加压系统，并恒温加压10min，使得TC17合金试件的高度压下量为40％；最后卸压降温，使连接试件空冷至室温。将连接试件置入温度为840℃的热处理炉中，加热10min，使连接试件受热均匀，之后保温60min，最后空冷至室温。

按照上述实施例步骤可以实现γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接。图2为实施例1得到的母材微观组织，γ-TiAl合金母材微观组织由初生γ(TiAl)相、少量弥散在γ(TiAl)相晶间的α₂(Ti₃Al)相组成(见图2(a))，TC17合金母材微观组织由初生α相、少量弥散分布的次生α相及β基体组成(见图2(b))。与连接前的母材微观组织(见图1)相比变化不明显。图3为实施例1得到的γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接接头扫描电镜照片，可以看出在连接接头处形成了一定宽度的过渡区，过渡区组织致密，无显著缺陷。经检测，连接接头的显微硬度为345HV_0.2，而γ-TiAl合金与TC17合金母材的显微硬度分别为330HV_0.2和314HV_0.2，可以看出连接接头的显微硬度稍高于母材的显微硬度。

实施例2：

本实施例的具体实施步骤如下：

依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#SiC水砂纸，分别逐级打磨γ-TiAl合金和TC17合金试件的连接表面；然后将试件放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为15min，最后用吹风机吹干。将经过表面处理的γ-TiAl合金与TC17合金试样的待连接表面紧密贴合在一起，置入Gleeble-3500型热模拟试验机中，然后抽取真空。当真空度达到5×10^-3Pa时，开启加热系统，以20℃·s^-1的升温速率升温至800℃，保温5min，使得试件受热均匀；开启加压系统，并恒温加压30min，使得TC17合金试件的高度压下量为60％；最后卸压降温，使连接试件空冷至室温。将连接试件置入温度为800℃的热处理炉中，加热10min，使连接试件受热均匀，之后保温120min，最后空冷至室温。

按照上述实施例步骤可以实现γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接。图4为实施例2得到的母材微观组织，γ-TiAl合金母材微观组织由初生γ(TiAl)相、少量弥散在γ(TiAl)相晶间的α₂(Ti₃Al)相组成(见图4(a))，TC17合金母材微观组织由初生α相、少量弥散分布的次生α相及β基体组成(见图4(b))。与连接前的母材微观组织(见图1)相比变化不明显。图5为实施例2得到的γ-TiAl合金与TC17合金的固态连接接头扫描电镜照片，可以看出在连接接头处形成了一定宽度的过渡区，过渡区组织致密，无显著缺陷。经检测，连接接头的显微硬度为353HV_0.2，而γ-TiAl合金与TC17合金母材的显微硬度分别为341HV_0.2和327HV_0.2，可以看出连接接头的显微硬度稍高于母材的显微硬度。

实施例3：

本实施例的具体实施步骤如下：

依次采用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#SiC水砂纸，分别逐级打磨γ-TiAl合金和TC17合金试件的连接表面；然后将试件放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为12min，最后用吹风机吹干。将经过表面处理的γ-TiAl合金与TC17合金试样的待连接表面紧密贴合在一起，置入Gleeble-3500型热模拟试验机中，然后抽取真空。当真空度达到5×10^-3Pa时，开启加热系统，以20℃·s^-1的升温速率升温至820℃，保温5min，使得试件受热均匀；开启加压系统，并恒温加压20min，使得TC17合金试件的高度压下量为50％；最后卸压降温，使连接试件空冷至室温。将连接试件置入温度为820℃的热处理炉中，加热10min，使连接试件受热均匀，之后保温90min，最后空冷至室温。