[发明专利]用于TiAl/镍基高温合金连接的Ti/Al+X复合中间层及扩散焊方法

说明书

本案提供了一种用于TiAl/镍基高温合金连接的Ti/Al+X复合中间层及扩散焊方法，该扩散焊方法通过设计并制备Ti/Al+X(Cr，Fe)三元叠层箔带；将TiAl合金与镍基高温合金加工成所需的尺寸后，进行打磨、抛光、超声清洗；将三元叠层箔带置于待焊接合金表面，放入真空扩散焊设备中，施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。通过采用合适的Ti/Al+X(Cr，Fe)三元叠层箔带中间层结构和厚度，调控连接过程的冶金反应和化合物生成，可实现两种极异材料良好连接。

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种用于TiAl合金与镍基高温合金两种极异材料之间扩散焊连接的焊接方法。

背景技术

镍基高温合金具有较高的强度、优异的抗高温氧化性和抗热疲劳性能，在各类飞行器中广泛应用，但是，结构减重是高性能武器装备研制中的一项重要指标。而TiAl合金具有密度低，比强度高、比刚度大，高温力学性能和抗氧化性能优良等特点，可在760℃～850℃长期工作，是航空航天飞行器耐高温结构部件的理想侯选材料。正是由于TiAl合金的密度仅是镍基高温合金的1/2，采用TiAl替代Ni基镍基高温合金，可以大幅降低部件重量，进而提高飞行器的效率和性能。如航空领域，高超声速飞行器金属热防护结构需要满足700℃～800℃的使用要求，拟采用TiAl合金与镍基镍基高温合金组成的双合金蜂窝热结构的方案，可以大幅减小结构重量。

研制TiAl/镍基高温合金双合金结构的复杂构件，必须解决TiAl合金与镍基高温合金之间的精密连接问题。但由于两种材料的物理和化学性能差异及自身特点，使得TiAl合金与镍基高温合金之间的连接主要存在以下问题：①两种合金成分差异很大，焊接获得在成分和组织上同时与它们具有良好冶金相容性的焊缝十分困难；②Ti在液态Ni中的溶解焓为-170kJ/mol，Ti与Ni之间的亲和力极强，极易发生反应生成Ti₂Ni、TiNi、TiNi₃等二元金属间化合物，以及A1-Ni-Ti等三元脆性化合物，这些脆性相会严重恶化接头力学性能；③两种异质合金在热膨胀系数、热导率等物理性能方面存在较大差异，容易在焊接过程中产生一定的残余热应力，导致在连接界面处极易形成微裂纹，要实现其良好连接非常困难。

研究人员在无中间层直接扩散焊接TiAl/GH2036时，由于扩散不充分，接头组织中存在大量未焊合的孔洞(周媛，等.TiAl合金与高温合金的扩散焊接头组织及性能[J].材料工程，2012，8:88-91.)。采用中间层有利于优化界面反应行为，但是无论以Ti箔纯金属(LiH.X.,et al.Microstructure and shear strength of reactive brazing joints ofTiAl/Ni-based alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22:324-329.)或Ti/Cu复合箔(Qi X.S.,et al.Phase evolution of diffusionbonding interface between high Nb containing TiAl alloy and Ni-Cr-Wsuperalloy[J].Rare Metal Materials and Engineering,2015,44(7):1575-1580.)为中间层，还是以TC4合金箔(He P.,et al.Effect of hydrogen on diffusion bonding ofTiAl based intermetallics and Ni-based superalloy using hydrogenated Ti6Al4Vinterlayer[J].International Journal of Hydrogen Energy,2014,39:1882-1887.)为中间层，中间层中的元素都可以与母材元素发生较为剧烈的化学发应，生成AlCu₂Ti、Ti₂Ni、AlNi₂Ti等脆性化合物，极易在焊缝中形成裂纹，接头剪切强度普遍低于260MPa。