方法
技术领域
背景技术
[0002] 网状结构TiBw/TC4复合材料(ZL200810136852.8)具有质轻、高比
刚度、高比强度、高耐热性的特点，使用
温度较钛合金提高100℃～200℃，但低于镍基合金，在航空航天
发动机550℃～800℃高温构件中具有广泛的应用前景。镍基
高温合金在750℃～1000℃高温构件中具有广泛应用，但
密度普遍较大。为了即保证性能要求又实现轻量化要求，在不同部位使用不同材料，达到最大化减重效果，实现Ti/Ni异种金属高性能连接尤为需要。
[0003] 钛材与镍金属焊接一直都是焊接的难题，采用钎焊等固相焊接和激光焊等高能束焊接的方式，并严格控制焊接参数与钎料参数可以获得Ti/Ni异种接头。但普遍存在昂贵，适用性不高等缺点。采用TIG焊接的方法，具有焊接效率高，接头性能可靠，适用性强等优点。但是，对Ti/Ni异种连接采用传统TIG焊接的对接方式时，焊接过程中
母材在
电弧的作用下
焊接区域完全融化，Ti、Ni等元素等充分反应，从而产生大量脆性金属间化合物(Ti2Ni等)；同时由于两种母材的
热膨胀系数等物理系数相差较大等原因，在
凝固阶段接头中产生很大应
力，使得接头在冷却至室温时产生贯穿裂纹，造成接头失效。可见通过传统TIG焊接方法直接对接方式很难获得Ti/Ni异种接头。采用搭接方式焊接，可以通过控制焊接参数，使母材部分融化，有效减少
焊缝处脆性金属间化合物形成，但焊接
应力仍较高，仍然不能满足高性能与可靠焊接接头的要求。
发明内容
[0004] 本发明是为了解决Ti/Ni异种连接困难、焊后接头应力大、由于焊接区域完全融化而使脆性Ti-Ni相多的问题，而提供一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法。
[0005] 本发明一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
[0006] 将钛基复合材料和镍基合金分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行
抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm～0.2mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接
电流为70A～110A，焊接速度为90mm/min～120mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至
焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接。
[0007] 本发明的有益效果：
[0008] 本发明最终获得层状结构、无宏观裂纹的Ti/Ni异种接头，断裂发生于网状结构TiBw/TC4复合材料的热影响区，接头室温拉伸剪切强度可达370MPa，远高于未添加Cu中间层直接搭接焊接的接头强度56MPa。将热输入直接加于搭接接头的网状结构TiBw/TC4复合材料一侧，在Cu中间层完全
熔化而两母材与中间层的
接触处未熔化的情况下发生反应，控制了接头主要部分即反应层的热输入；加入Cu中间层使得反应层中脆性Ti-Ni相显著减少，反应层中的粗大枝晶的生长被抑制；接头整体无宏观裂纹，电流增大或焊接速度减小会使焊接热输入的增大而降低接头性能。
附图说明
[0009] 图1为
实施例二的装配示意图；其中1为电弧，2为钛基复合板材，3为Cu中间层，4为镍基合金板材；
[0010] 图2为实施例二钛基复合材料与镍基合金的连接后接头截面40倍扫描电镜照片；其中Ⅰ为熔化再凝固层，Ⅱ为受热影响的网状结构TiBw/TC4复合材料层，Ⅲ为反应层，Ⅳ为镍基高温合金层；
[0011] 图3为实施例二中受热影响的网状结构TiBw/TC4复合材料层的断面示意图；其中1为镍基高温合金层，2为断裂
位置，3为反应层。
具体实施方式
[0012] 具体实施方式一：本实施方式的一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
[0013] 将钛基复合材料和镍基合金分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm～0.2mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接电流为70A～110A，焊接速度为90mm/min～120mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接。
[0014] 本实施方式通过搭接形式、添加Cu中间层、控制焊接电流和焊接速度的协同配合，可以获得完全无裂纹的Ti/Ni异种接头。一方面可以降低Ti/Ni异种接头中应力，另一方面Cu中间层熔点较低，在焊接过程中完全熔化且与两侧母材反应，从而减少Ti2Ni等脆性Ti-Ni相的形成；且采用搭接形式进行焊接，可以控制接头处TiBw/TC4复合材料部分熔化，从而获得具有分层结构，且较高强度与可靠性的Ti/Ni异种接头。较小的热输入直接加于网状结构TiBw/TC4复合材料上，使该板材上部通过熔化，中部依然保持网状结构，下部与中间层Cu及镍基高温合金板材上部通
过热传导实现反应连接，从而形成层状结构的Ti/Ni异种接头。接头中产物为Ti-Ni-Cu三元金属间化合物，部分Cu代替原产物脆性Ti-Ni中的Ni，降低接头脆性，缓解接头应力。
[0015] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述钛基复合材料为网状结构TiBw/TC4合金基复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0016] 所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料具体是按以下步骤进行制备的：
[0017] 一、机械混粉：按
质量百分比将3％的TiB2粉和97％的TC4钛合金粉用
球磨机进行机械混粉，混粉时间为4～12h；
[0018] 二、
热压烧结：将混好的
复合粉末装入抽
真空的密闭容器中进行热压烧结，温度从室温直接加热到1100～1500℃，保持压力为15～30MPa，保压时间为0.5～5h，冷却到室温后即可得到钛基复合材料；其中，步骤一中Ti合金粉的粒度为50～200μm，TiB2合金的粒度为2～5μm。
[0019] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料中增强相的体积分数为5％。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0020] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述网状结构TiBw/TC4合金基复合材料的尺寸为50～200μm。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0021] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述焊接电流为100A，焊接速度为110mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0022] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述焊接电流为90A，焊接速度为100mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0023] 用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0024] 实施例一：一种钛基复合材料与镍基合金添加Cu中间层搭接的TIG焊接方法按以下步骤进行：
[0025] 将增强相体积分数为5.0vol.％、网状尺寸为200μm的网状结构TiBw/TC4复合材料和去应力
退火的镍基高温合金板分别加工成厚度为2.0mm的板材，分别进行抛光和清洗，得到钛基复合板材和镍基合金板材；将钛基复合板材和镍基合金板材进行搭接，然后将厚度为0.1mm的Cu中间层置于钛基复合板材和镍基合金板材搭接部位的中间，得到待焊件；将待焊件固定在焊接密封箱中的焊接平台上，钛基复合板材位于上部，向焊接密封箱中通入高纯氩气作为保护气，进行TIG焊接，焊接电流为100A，焊接速度为110mm/min，焊接完成后持续通入高纯氩气至焊接件的温度降至室温，即完成钛基复合材料与镍基合金的连接。
[0026] 焊后接头为层状结构，接头主要部分反应层经XRD衍射和能谱分析得知产物主要为为Ti-Ni-Cu三元化合物，经力学性能测试，在室温下焊接接头拉伸剪切强度达370MPa，反应层厚度为410μm。
[0027] 实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：所述焊接电流为90A，焊接速度为100mm/min。其他与实施例一相同。
[0028] 图2为钛基复合材料与镍基合金的连接后接头截面40倍扫描电镜照片；其中Ⅰ为熔化再凝固层，Ⅱ为受热影响的网状结构TiBw/TC4复合材料层，Ⅲ为反应层，Ⅳ为镍基高温合金层；从图中可以看出焊后接头为层状结构，接头主要部分反应层经XRD衍射和能谱分析得知产物主要为为Ti-Ni-Cu三元化合物，经力学性能测试，在室温下焊接接头拉伸剪切强度达331MPa，反应层厚度为380μm。
[0029] 接头中主要元素扩散方向：Cu分别向两侧母材均有扩散，Ti主要由网状结构TiBw/TC4复合材料向中间层和镍基高温合金扩散，Ni主要由镍基高温合金向中间层和少量向网状结构TiBw/TC4复合材料中扩散。
