[发明专利]一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种，特别是一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法。

背景技术

目前国际上比较流行的用于汽车发动机、坦克发动机以及舰船发动机等的涡轮材料是K418，与钢轴的连接方法通常为摩擦焊接，但这种结构的缺点是涡轮整体质量大，导致发动机的瞬态响应性差。

钛铝合金除具有一般金属间化合物的优点外，还有密度低、抗氧化性好、导热率低、比强度高、比弹性模量高等特性，特别适合用于汽车发动机、坦克发动机以及舰船发动机等的涡轮增压器的涡轮端。但钛铝合金如何与钢轴连接是一个相当复杂的问题，目前已报道的连接方法包括钎焊和摩擦焊，钎焊焊接强度较摩擦焊要低，且工艺较复杂，生产效率较低。

在赵全忠2000年西北工业大学硕士论文“TiAl金属间化合物与结构钢摩擦焊接技术研究”中，作者试验了钛铝与42CrMo钢轴的直接摩擦焊接，结果显示，两种材质直接摩擦焊接可以获得一定强度的接头，但其强度极低，1m高度落差摔击即断，根本满足不了强度要求。

在CN 101844271 A的中国专利中，发明人公开了一种钛铝涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法，技术方案是在钛铝合金涡轮一侧加工回转体形状的嵌入槽，焊接过程中涡轮轴的焊接端面与钛铝合金涡轮的嵌入槽焊接面摩擦，通过控制摩擦缩短量，使得涡轮轴侧形成的飞边填充满嵌入槽。从而达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，连接件接头室温拉伸强度由背景技术的390MPa提高到480~537MPa 。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，经此摩擦焊接及加工方法后，焊缝结合牢固，焊接工艺稳定，根据此方法加工的零部件可以在800℃的高温环境下长时间工作。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，特征在于：整个涡轮部件结构由钛铝合金涡轮、中间过渡轴和42CrMo钢轴组成，钛铝合金涡轮与中间过渡轴、中间过渡轴与42CrMo钢轴分别以摩擦焊接方式结合，然后经过退火处理、机加工等工序得到涡轮部件产品；其中，摩擦焊接的接触部位设计为相结合凸台和凹槽相结合的形式，凸台和凹槽互相配合，而且凸台和凹槽为轴向截面为等腰梯形。这样的情况下，截面为等腰梯形凸台和凹槽构成一个圆台结构，可以进行360度旋转也方便进行摩擦焊接。

所述的凸台和凹槽的梯形截面中，梯形底边和斜边的夹角为30°~60°；顶边和底边的长度比为0.3~0.7。进一步的，梯形的顶边构成的平面面积与轴的横截面面积比例为：0.01~0.1。所述的轴包括中间过渡轴和42CrMo钢轴。

进一步具体的技术方案是：钛铝合金涡轮材质原子百分比为：Al：45~49%；Nb：1~5%；Cr：0.5~2.0%；Ni：0~0.6%；Si：0~0.8%；Ti：余量；其余为不可避免杂质。

进一步具体的技术方案还可以是：中间过渡轴的材质为镍基高温合金、铁基高温合金或铸造高温合金的任一种。

进一步具体的技术方案还可以是：钛铝材料与高温合金摩擦焊接工艺：转速700~900r/min，摩擦压力350~450MPa，摩擦时间5~10秒，顶锻压力500~680MPa，保压时间4~8秒；高温合金与钢轴的摩擦焊接工艺：摩擦压力410~430MPa，顶锻压力550~580MPa，摩擦时间为4~6秒，焊后保压5~7秒钟。

其中α角为摩擦焊接的接触部位凸台或者凹槽的梯形截面的底边与斜边的夹角，α角度为30°~70°，轴径15~35mm，尺寸为轴半径与凸台底半径的差，尺寸b为凸台高度，a=3~7mm，b=2~5mm，在此角度范围内，结合面积增大，优选的参数为α=60°，a=5mm，b=10mm。假设轴的直径为20mm，则两轴的摩擦接触面积由原先两轴直接对焊时的314mm²增加到约为373mm²以上，增幅19%以上，即相对于平面端面连接方法焊缝结合强度提高了19%，因此改进后焊缝连接牢固可靠，并且便于机加工，实现批量生产。

进一步具体的技术方案还可以是：焊接完成后退火处理的工艺为：退火温度550~800℃，保温时间1.5~3h，然后随炉冷却至室温。

所述的钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，具体工艺步骤为：

（1）钛铝涡轮、中间过渡轴、42CrMo钢轴按图纸机加工；包括加工摩擦焊接的接触部位的凸台和凹槽；

（2）中间过渡轴与42CrMo钢轴摩擦焊接；