[发明专利]高温TiAl合金与Ti

说明书

一种高温TiAl合金与Ti₂AlNb合金环形件的扩散连接方法，利用夹具材料与待连接材料的膨胀压差来提供压应力，在阶梯升温过程中即开始扩散连接。因高温TiAl盘缘扩散系数大于Ti₂AlNb盘芯，在阶梯降温过程中，连接界面上仍存在一定的连接压力，扩散连接仍在继续。冷却到800℃过程中，保温过程中存在的连接压力逐渐减小，在此时进行保温处理有利于获得优异的接头性能。从800℃冷却到室温过程中，连接压力又逐渐增大，在600℃进行保温处理，避免接头残余应力过大。本发明通过夹具同时控制扩散连接工艺参数，实现了异种金属间化合物环形件的可靠连接，为其他合金复杂环形件提供了研究和制造基础。

技术领域

本发明设计了一种高温TiAl合金和Ti₂AlNb合金扩散连接方法，适用于环形件扩散连接，属于TiAl系金属间化合物固态焊接领域。

背景技术

TiAl系金属间化合物具有密度低、比强度高和抗氧化性良好等特点，是理想的轻质高温结构材料之一。目前TiAl系合金已被广泛应用于制备航空发动机重要部件，高温TiAl合金和Ti₂AlNb合金可分别在700℃～900℃和650℃～700℃温度区间内使用，是制备发动机部件的重要候选材料之一，可以有效减轻发动机重量，提高发动机推重比和工作效率。

但在实际工程应用过程中，TiAl系金属间化合物的本质脆性和难加工性限制了它的广泛使用，异种合金间力学性能以及热物理性能的差异也导致连接接头处性能较差。因此研究和发展TiAl系金属间化合物的连接技术十分必要。扩散连接技术在满足结构设计和制造要求的同时可以提高材料利用率，连接过程中可以有效避免熔焊产生的裂纹等缺陷，是适合制备TiAl系合金复杂构件的重要成形手段。目前，国内外研究学者对TiAl合金和Ti₂AlNb合金同种材料及两种合金之间的扩散连接进行了一些研究。

文献“Diffusion bonding of gamma-TiAl using modified Ti/Al nanolayers”采用掺杂少量Cu的Ti/Al复合中间层实现了γ-TiAl(Ti–48Al–2Cr–2Nb)同种合金的扩散连接。研究表明，在900℃-50MPa-1h工艺条件下，获得了无明显缺陷的连接接头，接头显微硬度达到8.4Gpa，其在较低的连接温度下获得了质量较好的连接接头。但是由于掺杂了少量的Cu，在接头区域产生TiCuAl相，对接头综合性能产生不利影响。同时向Ti/Al 复合层内掺杂Cu的工艺较为复杂，不利于制备复杂构件。

文献“Diff usion Bonding of Dissimilar Intermetallic Alloys Based onTi₂AlNb and Ti Al”在不同连接参数下(900℃～1100℃、30min～180min、6MPa～30MPa)对TiAl (Ti-46.2Al-2Gr-2Nb-0.15B)合金和Ti₂AlNb(Ti-22Al-23Nb-2Ta)合金进行了扩散连接实验。研究结果表明，扩散连接温度在1000℃以上时，较容易获得无缺陷的接头；通过优化连接参数，在1000℃-120min-20Mpa时，可以获得剪切强度达TiAl母材80％的连接接头。但是以上研究都是针对块状试样的扩散连接展开研究，连接界面为平面，未涉及环形件扩散连接研究。

宋晓国等人在公开发明专利(公开号为CN105798499A)中提出了一种采用复合金属箔连接高铌TiAl合金的方法。将超声清洗后的母材以及厚度为10～30um箔片按照高铌TiAl/Ti/Nb/Ti/高铌TiAl顺序进行扩散连接，获得了较高质量接头。但是中间层的添加使扩散连接处形成复杂组织结构，降低扩散连接质量。同时中间层的添加使工艺复杂，增加成本。