适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺技术

本发明专利技术涉及一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺；根据钛铝基体成分设计钛铝粉末的成分：钛铝粉末中铝元素含量设计为钛铝基体中铝元素含量、偏差不大于1％；根据钛铝粉末成分设计锆钛粉末成分：锆钛粉末中钛元素含量设计为钛铝粉末钛元素含量、偏差不大于2％；最后将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合、待用；焊料由钛铝粉末和锆钛粉末两部分组成；焊料中锆钛粉末为70

【技术实现步骤摘要】
适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺


[0001]本专利技术属于焊接
，涉及一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺。

技术介绍

[0002]钛铝合金是一种轻质耐高温金属间化合物材料，铸造钛铝合金涡轮已经应用于国外高级轿车以及国内高端制造领域，其作为增压涡轮转子部件、代替传统高温合金涡轮，明显起到减重和提速作用。现我国某增压发动机中采用高Al元素含量、全层片组织的铸造钛铝合金涡轮。钛铝合金与钢轴的连接技术是该涡轮转动部件制造的重要技术。
[0003]这方面文献和专利公开了一些相关技术。如，针对钛铝合金涡轮增压器转子与钢轴的连接方法，专利CN201110038335.9采用感应钎焊或者真空钎焊技术，但所用对象为低Al元素含量钛铝合金，即Ti
‑
(32
‑
36wt％)Al
‑
(0.1
‑
2wt％)Si
‑
(0.1
‑
5wt％)Nb
‑
(0.1
‑
3wt％)Cr。相对高Al含量如Al＝46
‑
48at.％，这种低Al元素钛铝合金的热裂倾向小、低Al元素钛铝合金可焊性较好。专利CN201110274101.4公开了一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，利用电阻热使钎料熔化，然后施加顶锻压力，最后对涡轮部件进行去应力退火，得到涡轮与钢轴的组合部件，该技术工序多、效率低且接头强度低、仅达到190MPa。专利CN201510284675.8提出一种添加合金中间层的TiAl合金与TC4合金的电子束熔钎焊方法，弊端是TiAl合金也会发生局部熔化、导致接头附近形成脆性区域。此外，CN201110263928.5采用形成金属间化合物颗粒增强焊缝的手段对TiAl合金进行钎焊，但过程控制难度高，仅限于实验室操作、工程化不易实现。
[0004]国内外采用的三体连接(钛铝+高温合金+结构钢)的制造技术，存在工序多、过程复杂、接头多且高温服役中涡轮部件的性能稳定性不足。同时，全层片组织、高Al含量的钛铝合金对任何热过程都十分敏感，全层片组织容易分解导致钛铝涡轮组织被破坏；Al含量高将带来钎焊(真空钎焊或感应钎焊)界面化合物数量多、接头脆性倾向大、热裂纹容易产生。可见，以上综述的各种连接技术尚未解决高Al元素含量、全层片组织的铸造钛铝合金涡轮的可靠性连接技术。
[0005]常规用于钛铝合金的焊料分为两类，一类是采用镍基高温合金用镍基焊料，如BNi2等，但其熔点高、为970
‑
980℃，故焊接温度通常设置为1020
‑
1070℃；一类是采用钛合金用焊料，即Ti
‑
Cu
‑
Ni体系或者Ti
‑
Zr
‑
Cu
‑
Ni体系焊料。针对钛合金用焊料，传统方法是向这Ti
‑
Cu
‑
Ni或者Ti
‑
Zr
‑
Cu
‑
Ni两种体系焊料中添加其他元素如Co元素、Fe元素或者几种元素组合，目的是提高钛铝合金焊接接头的强度或者调整焊料对钛铝合金基体的润湿性，设计思路如图1。这是在钛合金用焊料的基础上进行焊料合金的成分调整或微量添加某一种或几种其他元素的设计方法，然而所设计焊料尚且不适合焊接钛铝材料，一方面，钛铝合金区别于钛合金，钛铝合金具有长程有序的晶体结构，而钛合金是一种固溶体结构；针对钛铝材料，传统焊料设计方法下焊料无法兼顾熔点、润湿性和扩散性能的问题；另一方面，钛铝
合金对热过程较钛合金敏感，采用镍基焊料或用于钛合金的焊接工艺设计会导致钛铝合金的层片组织发生分解、层片组织和等轴γ相的比例也发生改变，继而，焊后钛铝合金力学性能发生较大损失。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：提供一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法、焊料及焊接工艺，以解决上述现有技术存在的问题。通过设计连接材料和工艺控制措施，利用低温液相熔池改善初始界面应力、平衡钛铝粉末与待连接材料之间的化学反应，并借助钛铝粉末与熔池反应形成多元固溶体组分界面以提高界面结合力。
[0007]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0008]一方面，提供一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法，步骤如下：
[0009]首先，根据钛铝基体成分设计钛铝粉末的成分：钛铝粉末中铝元素含量设计为所述钛铝基体中铝元素含量、偏差不大于1％；
[0010]其次，根据钛铝粉末成分设计锆钛粉末成分：锆钛粉末中钛元素含量设计为钛铝粉末钛元素含量、偏差不大于2％；
[0011]最后，将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合、待用。优选地，采用溶剂将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合。
[0012]另一方面，本专利技术提供一种适用于全层片组织钛铝基体的焊料，所述焊料由钛铝粉末和锆钛粉末两部分组成，钛铝粉末由钛元素和铝元素组成，锆钛粉末由钛元素和锆元素组成；焊料中锆钛粉末为70
‑
80％，其余为钛铝粉末；粉末颗粒度在100
‑
150目。
[0013]另一方面，本专利技术还提供一种适用于全层片组织钛铝基体的焊料的焊接工艺，所述工艺过程为：
[0014]在真空度不低于10
‑3Pa条件下，根据连接材料中锆钛粉末的熔点，设置连接温度T1，使得锆钛粉末在真空环境下利用低温保温形成锆钛液态熔池，而后升温至T2使钛铝粉末与熔池发生化学反应但钛铝粉末不熔化，完成组件连接的工艺过程。
[0015]连接温度T1设置为高于锆钛粉末熔化温度20
‑
30℃，保温10
‑
30min；连接温度T2设置为高于T1温度100
‑
120℃，保温10
‑
30min，且从T1到T2采用阶梯升温的方式。
[0016]具体工艺过程为：
[0017]以升温速率10
‑
15℃/min升温至T1＝850
‑
880℃，保温10
‑
30min；
[0018]→
以升温速率25
‑
30℃/min升温至900
‑
930℃，保温10
‑
20min；
[0019]→
以升温速率10
‑
15℃/min升温至T2＝950
‑
1000℃，保温20
‑
30min；
[0020]→
以降温速率10
‑
15℃/min降温至930
‑
950℃，保温20
‑
30min；
[0021]→
最后，随炉冷却。
[0022]当待连接部位是平面时，焊料铺置在平面上、使用厚度为30
‑
40μm；待本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的设计方法，其特征在于：所述方法步骤如下：首先，根据钛铝基体成分设计钛铝粉末的成分：钛铝粉末中铝元素含量设计为所述钛铝基体中铝元素含量、偏差不大于1％；其次，根据钛铝粉末成分设计锆钛粉末成分：锆钛粉末中钛元素含量设计为钛铝粉末钛元素含量、偏差不大于2％；最后，将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合、待用。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：采用溶剂将钛铝合金粉末与锆钛粉末进行均匀混合。3.一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料，其特征在于：所述焊料由钛铝粉末和锆钛粉末两部分组成，焊料中锆钛粉末为70
‑
80％，其余为钛铝粉末；粉末颗粒度在100
‑
150目。4.一种适用于全层片组织钛铝合金的焊料的焊接工艺，其特征在于：所述工艺过程为：在真空度不低于10
‑3Pa条件下，根据连接材料中锆钛粉末的熔点，设置连接温度T1，使得锆钛粉末在真空环境下利用低温保温形成锆钛液态熔池，而后升温至T2使钛铝粉末与熔池发生化学反应但钛铝粉末不熔化，完成组件连接的工艺过程。5.根据权利要求4所述的焊接工艺，其特征在于：所述温度T1设置为高于锆钛粉末熔化温度20
‑
30℃，保温10
‑
30min；连接温度T2设置为高于T1温度100
‑
120℃，保温10
‑
3...

【专利技术属性】
技术研发人员：静永娟，尚泳来，熊华平，任海水，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：