一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法技术

本发明专利技术涉及一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，通过在TiAl/TC4电子束焊接焊缝位置，预置Ni和Nb组成的中间金属层，通过选择合理的中间层成分、中间层排布方式、中间层厚度以及电子束焊接工艺参数，获得高强度、无裂纹TiAl/TC4电子束焊接接头，此外本发明专利技术焊接工艺流程少，操作简单，易于实现，具有较强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法
本专利技术涉及一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，属于脆性材料焊接领域。
技术介绍
在航空航天工业中，结构服役条件恶劣，常工作于高温、耐热、腐蚀性、低温等严酷环境中，因而对材料的性能有较高的要求。此外，对结构重量的严格的限定，对材料的轻质化提出了更高的要求。因此，轻质、高强、比模量高、比强度高的新型材料TiAl在航空航天领域具有广泛的应用，但是，该种材料由于其组织特点，一般呈现出脆性的特征，导致其焊接过程容易产生裂纹，极大地限制其推广应用。在真空环境下进行的电子束焊接过程，排除了空气中有害杂质对焊缝的危害，净化焊缝，是一种获得高质量焊缝的方法。同时，电子束束流能量密度高，对材料具有很高的穿透能力，单次焊接可获得大熔深，减少了焊接的次数，提高焊接过程生产效率。而且，由于电子束束流的集中的特点，电子束热源所造成的热影响区要明显先于其他焊接方法的热影响区大小，热过程的集中对控制结构的变形有着很大的优势，因此电子束焊接结构常常作为最终加工步骤。此外，由于电子束焊接过程可对束斑进行精确控制，可实现精密焊缝的焊接，而且由于电子束的束流的工作距离可调，对于常规焊接方法所难以达到的位置，电子束焊接也可轻易进行。因此，电子束焊接是一种具有极大工业应用前景的焊接方法。但是由于电子束焊接过程的冶金特点，对焊缝位置进行再熔化过程中，焊缝急速冷却的过程使得焊接接头位置的组织变化经历了完全非稳态转变，焊缝区域的组织特点发生明显的变化。尤其是对于脆性材料TiAl，焊接熔化-凝固过程后，焊缝中的组织由具有良好塑性的组织变成脆性的过饱和Ti3Al相，过饱和相具有较大的组织内应力，组织具有很大的脆性，极大地降低了接头的塑性，开裂倾向增大。此外，在焊接过程中，由于电子束焊接能量的集中，导致了冷却速度明显大于其他焊接方法，冷却速度的增大会增大焊缝位置的残余拉应力，在脆性材料的焊接过程中，残余应力的增大将导致材料发生开裂，形成裂纹，因此在电子束焊接脆性材料的过程中，如何消除裂纹是一个必须研究的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，该方法通过预置合金中间层，并选择合理的中间层成分，中间层制备方式，以及电子束焊接工艺参数，获得高强度、无裂纹TiAl/TC4电子束焊接接头。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，包括如下步骤：(1)、将1～3层Nb箔片和1～3层Ni箔片依次叠放排列后，通过点焊定位，形成中间层，所述每层Nb箔片的厚度为80～120μm，每层Ni箔片的厚度为80～120μm；(2)、将中间层点焊至TC4母材焊接面或TiAl母材焊接面上，并使中间层位于TC4母材与TiAl母材之间，通过夹具使TC4母材与TiAl母材紧密对接并固定，形成待焊接工件；(3)、将待焊接工件放入电子束焊机的真空室中，开始抽真空，当真空度达到4×10-2Pa～7×10-2Pa时，调节电子束焊接工艺参数，首先采用小束流对中间层金属进行熔合，所述电子束焊接工艺参数为：加速电压50～60kV，聚焦电流1500～1700mA，焊接束流5～20mA，焊接速度为500～1500mm/min；(4)、之后调节电子束焊接工艺参数，对待焊接工件进行电子束焊接；(5)、焊接完成后，在真空室中保温3～8min后放气，取出工件。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，步骤(1)中Ni箔片为1层，Nb箔片为1～2层。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，Ni箔片和Nb箔片的宽度为焊缝的厚度，箔片的制备采用线切割方式进行切割。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，步骤(2)中Nb箔片放置在靠近TiAl母材一侧，Ni箔片放置在靠近TC4母材一侧。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，TC4母材与TiAl母材为板材或环形件，板材焊缝厚度为1mm～5mm，环形件焊缝厚度为1mm～5mm。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，Ni箔片和Nb箔片的厚度均为100μm。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，步骤(4)中对待焊接工件进行电子束焊接的工艺参数为：加速电压50～60kV，聚焦电流1500～1700mA，焊接束流5～50mA，焊接速度为500～1500mm/min。在上述添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法中，步骤(4)中对待焊接工件进行电子束焊接时，电子束束斑向TC4一侧偏移，与焊缝中心的偏移距离为0.2～0.5mm。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术针对传统TiAl/TC4焊接的接头裂纹大，焊接强度低的缺陷，首次在TiAl/TC4电子束焊接焊缝位置，预置Ni和Nb组成的中间金属层，通过选择合理的中间层成分、中间层排布方式、中间层厚度以及电子束焊接工艺参数，获得高强度、无裂纹TiAl/TC4电子束焊接接头；(2)、本专利技术采用金属箔片相叠加的方式制备中间层。中间层基本元素为Ni和Nb，采用100μm的Ni箔片和Nb箔片按指定比例叠加，利用箔片易熔的特点，在焊接过程中可与熔化的母材充分熔合，优化焊缝的力学性能，提高接头抗裂纹能力；(3)、本专利技术首先采用小电子束流对中间层进行熔合，保证中间层在焊接过程中位置的固定，然后再进行电子束焊接，本专利技术对小电子束流焊接与电子束流的焊接的工艺参数进行了优化，可有效地控制TiAl/TC4电子束焊接过程中裂纹的产生，提高接头强度，试验表明本专利技术焊接接头的强度最高可达到TiAl母材的80％，接头无裂纹；(4)、本专利技术对待焊接工件进行电子束焊接时，电子束束斑向TC4一侧偏移，与焊缝中心的偏移距离为0～0.5mm，优选0.2～0.5mm，试验表明向TC4一侧偏移可以增大TC4的熔化量，促进中间层金属与焊缝的熔合，提高结合强度；(5)、本专利技术焊接工艺流程少，操作简单，易于实现。附图说明图1为本专利技术实施例1中TiAl/TC4焊缝外观图；图2为本专利技术实施例2中TiAl/TC4焊缝SEM照片。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述：本专利技术添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，具体包括如下步骤：(1)、对待焊TC4母材与TiAl母材进行焊前清理，采用物理方法和化学方法将材料表面油污和氧化层去除；(2)、按要求制备中间层合金，中间层合金元素为Nb、Ni，按照设计选择合适的Nb箔片和Ni箔片层数，本专利技术将1～3层Nb箔片和1～3层Ni箔片依次叠放排列后(当Nb箔片与Ni箔片均为多层时，先将多层Nb箔片叠放后，再与多层Ni箔片叠放)，采用点焊机进行点焊定位，形成中间层，每层Nb箔片的厚度为80～120μm，每层Ni箔片的厚度为80～120μm，优选Ni箔片为1层，Nb箔片为1～2层。Ni箔片和Nb箔片的宽度为焊缝的厚度，箔片的制备采用线切割方式进行切割。(3)、将中间层点焊至TC4母材焊接面或TiAl母材焊接面上，并使中间层位于TC4母材与TiAl母材之间，通过夹具进行固定，使TC4母材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将1～3层Nb箔片和1～3层Ni箔片依次叠放排列后，通过点焊定位，形成中间层，所述每层Nb箔片的厚度为80～120μm，每层Ni箔片的厚度为80～120μm；(2)、将中间层点焊至TC4母材焊接面或TiAl母材焊接面上，并使中间层位于TC4母材与TiAl母材之间，通过夹具使TC4母材与TiAl母材紧密对接并固定，形成待焊接工件；(3)、将待焊接工件放入电子束焊机的真空室中，开始抽真空，当真空度达到4×10‑2Pa～7×10‑2Pa时，调节电子束焊接工艺参数，首先采用小束流对中间层金属进行熔合，所述电子束焊接工艺参数为：加速电压50～60kV，聚焦电流1500～1700mA，焊接束流5～20mA，焊接速度为500～1500mm/min；(4)、之后调节电子束焊接工艺参数，对待焊接工件进行电子束焊接；(5)、焊接完成后，在真空室中保温3～8min后放气，取出工件。

【技术特征摘要】
1.一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将1～3层Nb箔片和1～3层Ni箔片依次叠放排列后，通过点焊定位，形成中间层，所述每层Nb箔片的厚度为80～120μm，每层Ni箔片的厚度为80～120μm；其中当Nb箔片与Ni箔片均为多层时，先将多层Nb箔片叠放后，再与多层Ni箔片叠放；(2)、将中间层点焊至TC4母材焊接面或TiAl母材焊接面上，并使中间层位于TC4母材与TiAl母材之间，通过夹具使TC4母材与TiAl母材紧密对接并固定，形成待焊接工件；(3)、将待焊接工件放入电子束焊机的真空室中，开始抽真空，当真空度达到4×10-2Pa～7×10-2Pa时，调节电子束焊接工艺参数，首先采用小束流对中间层金属进行熔合，所述电子束焊接工艺参数为：加速电压50～60kV，聚焦电流1500～1700mA，焊接束流5～20mA，焊接速度为500～1500mm/min；(4)、之后调节电子束焊接工艺参数，对待焊接工件进行电子束焊接；(5)、焊接完成后，在真空室中保温3～8min后放气，取出工件。2.根据权利要求1所述的一种添加合金中间层的TiAl/TC4电子束熔钎焊方法，其特征在于：所述步骤(1)中Ni箔片为1层，Nb箔片为1～2层。3.根据权利要求1或2所述的一种添加合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：康黎，胡太文，张俊杰，戎磊，赵青，蒋元清，沈江红，刘志华，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11