本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料與鈦合金的擴(kuò)散連接，具體涉及一種超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金的過渡液相擴(kuò)散連接方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超級鎳疊層復(fù)合材料作為一種新型的高溫復(fù)合材料，是在NiCr粉末高溫合金基層的基礎(chǔ)上復(fù)合超級鎳韌性復(fù)層，采用等靜壓真空壓制形成復(fù)層/基層/復(fù)層的“三明治”疊層結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)可發(fā)揮粉末高溫合金基層材料與超級鎳復(fù)層材料的各自性能優(yōu)勢，依靠基層提供高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，利用超級鎳韌化復(fù)層抑制裂紋擴(kuò)展，提高整體疊層結(jié)構(gòu)的損傷容限，克服了單一材料突發(fā)性斷裂的缺點(diǎn)。
鈦合金由于諸多性能優(yōu)勢使其在航空制造領(lǐng)域的用量日益增加，尤其作為飛機(jī)蒙皮材料的應(yīng)用前景巨大?；诤娇蘸秃胶ｊP(guān)鍵部件的具體服役環(huán)境，單一的鈦合金結(jié)構(gòu)難以滿足關(guān)鍵部件的特殊性能要求。
實(shí)現(xiàn)超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金的連接，形成疊層材料與鈦合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、高溫性能優(yōu)異、服役壽命長等特點(diǎn)，在制造高性能發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件中將發(fā)揮重要作用。超級鎳疊層材料的復(fù)層厚度只有0.2-0.3mm，且NiCr粉末合金基層具有多孔性特性，使得超級鎳疊層復(fù)合材料的焊接不同于傳統(tǒng)金屬材料，既具有高溫合金的焊接特點(diǎn)又有著自身疊層結(jié)構(gòu)的特殊性。
中國發(fā)明專利(ZL 200810016502.8)提出超級鎳疊層材料的鎢極氬弧焊工藝，通過填充金屬及嚴(yán)格控制焊接熱輸入實(shí)現(xiàn)了超級鎳疊層材料與Cr18-Ni8不銹鋼的熔焊，但在熔焊時，參數(shù)不當(dāng)易造成超級鎳復(fù)層的燒損，并可能導(dǎo)致基層材料的裂紋萌生，而且整個疊層結(jié)構(gòu)焊接的穩(wěn)定性仍有待提高。
中國發(fā)明專利(ZL 201010518517.1，ZL201010518504.4，ZL 201110438670.8)提出通過添加Ni-CrSi-B晶態(tài)和非晶釬料實(shí)現(xiàn)超級鎳疊層材料與Cr18-Ni8不銹鋼的連接，但這種方法需要真空設(shè)備，工件尺寸受限制，而且控制釬縫中脆性相的生成也是一個有待解決的難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提出一種超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金的過渡液相擴(kuò)散連接方法，在待焊接的超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金之間添加復(fù)合中間層，利用真空-高溫-加壓的方式，加速連接界面的元素擴(kuò)散，在不添加降熔元素的條件下，利用Cu與Ti的接觸擴(kuò)散及共晶反應(yīng)促進(jìn)界面過渡液相的形成，隨著等溫凝固進(jìn)行以及連接界面成分的均勻化，從而實(shí)現(xiàn)超級鎳疊層材料與鈦合金的真空擴(kuò)散連接。該項(xiàng)技術(shù)對于推動超級鎳疊層材料與鈦合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)在航空、航海等制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
一種超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金的過渡液相擴(kuò)散連接方法，包括如下步驟：
將鈦粉和銅箔夾在待焊接的超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金之間形成疊層結(jié)構(gòu)，使鈦粉與鈦合金的擴(kuò)散結(jié)合面接觸，銅箔與超級鎳疊層復(fù)合材料的擴(kuò)散結(jié)合面接觸；將疊層結(jié)構(gòu)放入真空室中，抽真空，對疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，并對其進(jìn)行加壓，實(shí)現(xiàn)超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金的過渡液相擴(kuò)散連接。
超級鎳疊層復(fù)合材料作為一種新型的高溫復(fù)合材料，是在NiCr粉末高溫合金基層的基礎(chǔ)上復(fù)合超級鎳韌性復(fù)層，采用等靜壓真空壓制形成復(fù)層/基層/復(fù)層的“三明治”疊層結(jié)構(gòu)。
銅箔是由純銅壓制而成，銅的純度大于99.9％。采用較軟的銅箔作為中間層，有利于緩解擴(kuò)散界面的殘余應(yīng)力，避免了微裂紋的產(chǎn)生，提高了異質(zhì)擴(kuò)散接頭的質(zhì)量。在加熱過程中，鈦元素的活性高，在銅箔中具有較快的擴(kuò)散速率，在高溫作用下形成瞬間液相，形成的瞬間過渡液相能夠促進(jìn)對界面兩側(cè)母材的潤濕及擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)疊層材料與鈦合金的擴(kuò)散連接。在擴(kuò)散連接過程中，通過控制擴(kuò)散溫度，超級鎳疊層復(fù)合材料的固相結(jié)構(gòu)沒有受到破壞，連接得到的異質(zhì)接頭依然保持超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金的組織結(jié)構(gòu)性能。
鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明中對鈦合金的種類并沒有嚴(yán)格的限制。
其中的擴(kuò)散結(jié)合面是指待連接的兩種母材之間的進(jìn)行連接的表面，此處是指超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金相對設(shè)置進(jìn)行擴(kuò)散連接的表面。
為了保證擴(kuò)散連接的異質(zhì)接頭的良好性能，超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金的擴(kuò)散結(jié)合面為平整的。
在不添加其他降熔元素的條件下，實(shí)現(xiàn)瞬間過渡液相的等溫凝固，利于接頭的成分均勻化，提高了擴(kuò)散接頭的結(jié)合強(qiáng)度。等溫凝固是指高熔點(diǎn)元素和低熔點(diǎn)元素在比低熔點(diǎn)元素的熔點(diǎn)略高的恒定溫度下反應(yīng)，形成固溶體或生成金屬間化合物的過程，形成的固溶體或金屬間化合物具有比反應(yīng)溫度更高的熔點(diǎn)或相變溫度。這一特點(diǎn)運(yùn)用到擴(kuò)散連接中，使擴(kuò)散連接可以在較低的溫度下進(jìn)行。
優(yōu)選的，抽真空的真空度為10-5～10-6Pa，抽真空的時間為15～20min。
本發(fā)明中采用機(jī)械泵與擴(kuò)散泵聯(lián)用的方法抽取真空，即首先采用機(jī)械泵對真空室進(jìn)行抽真空，等真空室中的真空度為10-2～10-3Pa時，開啟擴(kuò)散泵。不但可以快速提高抽真空的速度，還可以提供足夠的真空度。
優(yōu)選的，所述鈦粉的厚度為20～50μm。鈦粉層過厚，形成的瞬間液相不均勻，降低連接界面結(jié)構(gòu)的性能；鈦粉過薄，瞬間液化速度太快，難以達(dá)到界面擴(kuò)散的效果。
優(yōu)選的，加熱溫度為920～980℃，升溫速度為6～20℃/min，加熱時間為30～90min。
升溫速度過快，容易導(dǎo)致加熱不均勻，難以保證界面的均勻擴(kuò)散；升溫速度過慢，擴(kuò)散連接效率過低。加熱時間過短，界面擴(kuò)散不充分，無法保證超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金的有效界面結(jié)合。加熱時間過長，容易造成界面兩側(cè)晶粒粗大，降低擴(kuò)散連接接頭的力學(xué)性能。
優(yōu)選的，所述加壓中施加的壓力為2～6MPa。
進(jìn)一步優(yōu)選的，加壓中，壓力持續(xù)時間為40～60min，在達(dá)到過渡液相擴(kuò)散溫度前5min開始施加壓力，在開始降溫5min后撤除壓力。
保證整個擴(kuò)散連接過程中連接界面的緊密接觸，利于界面的擴(kuò)散結(jié)合。
優(yōu)選的，加壓時，分別在壓頭與超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金的接觸面放置云母片或高溫石墨紙。在接觸面上放置云母片或高溫石墨紙，可以防止母材與壓頭不必要的焊合。
優(yōu)選的，所述銅箔和鈦粉的質(zhì)量基本相同。利于在高溫時形成低熔點(diǎn)瞬間液相。
優(yōu)選的，在升溫過程中，在740～790℃和840～890℃分別設(shè)置保溫平臺，保溫時間控制在5～15min。設(shè)置保溫平臺可以確保整個擴(kuò)散連接過程中的受熱均勻。
優(yōu)選的，所述鈦粉的粒度為100～200目。
優(yōu)選的，上述方法還包括對超級鎳疊層復(fù)合材料和鈦合金的擴(kuò)散結(jié)合面進(jìn)行清理的步驟。
進(jìn)一步優(yōu)選的，對擴(kuò)散結(jié)合面進(jìn)行清理的方法，包括如下步驟：
首先用砂紙對待擴(kuò)散面進(jìn)行打磨，使待擴(kuò)散面露出金屬光澤；然后用有機(jī)溶劑對待擴(kuò)散面進(jìn)行清洗，去除油污；最后對待擴(kuò)散面進(jìn)行堿洗和酸洗。
更進(jìn)一步優(yōu)選的，依次采用200#、400#和600#的砂紙對待擴(kuò)散面進(jìn)行打磨。
依次用不同粒度的砂紙對待擴(kuò)散面進(jìn)行打磨，提高打磨后待擴(kuò)散面的光潔程度，使待擴(kuò)散面更容易清洗干凈，在后續(xù)的擴(kuò)散連接過程中，更容易保證界面結(jié)合的均勻度，消除局部缺陷。
更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述有機(jī)溶劑為丙酮。
丙酮對油污的清洗效果較好，而且具有較好的揮發(fā)效果，清洗后不用刻意加熱干燥，提高了清洗的效率。
更進(jìn)一步優(yōu)選的，采用10％～20％的NaOH溶液對待擴(kuò)散面進(jìn)行堿洗，采用30％～40％的HNO3溶液進(jìn)行酸洗，然后在酒精溶液進(jìn)行超聲沖洗。
再進(jìn)一步優(yōu)選的，待擴(kuò)散面清洗完畢后，將待擴(kuò)散連接的超級鎳疊層復(fù)合材料、鈦合金、銅箔和鈦粉放入真空干燥箱中，在50℃下干燥6～12h。干燥溫度過高會引起鈦合金表面形成氧化膜，阻礙界面擴(kuò)散；干燥時間過短會造成干燥不充分，影響后續(xù)擴(kuò)散連接接頭的質(zhì)量。
優(yōu)選的，上述方法還包括對擴(kuò)散連接完成的復(fù)合材料進(jìn)行冷卻的步驟。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述冷卻，包括如下步驟：首先采用循環(huán)冷卻水進(jìn)行降溫，當(dāng)真空室溫度降至300℃以下，關(guān)閉循環(huán)冷卻水，然后自然冷卻至80～100℃。
超級鎳疊層復(fù)合材料與鈦合金進(jìn)行過渡液相擴(kuò)散連接的裝置為真空擴(kuò)散焊設(shè)備，將超級鎳疊層復(fù)合材料層、鈦合金層、復(fù)合中間層(銅箔與鈦粉的復(fù)合層)組裝后，放入真空室中，調(diào)節(jié)好各種參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散連接。
本發(fā)明的有益效果為：
(1)采用本發(fā)明的方法進(jìn)行疊層復(fù)合材料與鈦合金的擴(kuò)散連接，母材沒有發(fā)生熔化，擴(kuò)散連接得到的異質(zhì)接頭具有疊層材料的原始整體結(jié)構(gòu)性能。
(2)采用較軟銅箔作為中間層，利于緩解擴(kuò)散連接界面的殘余應(yīng)力，避免微裂紋的產(chǎn)生，提高疊層材料與鈦合金異質(zhì)擴(kuò)散連接接頭質(zhì)量。鈦活性高，能在銅箔中快速擴(kuò)散，縮短了高溫擴(kuò)散時間。銅箔和鈦粉復(fù)合中間層在高溫下能夠形成瞬間液相，瞬間過渡液相能夠促進(jìn)界面兩側(cè)母材的潤濕及擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)疊層材料與鈦合金的可靠連接。
(3)在不添加其他降熔元素(Si，V，Nb等)的條件下實(shí)現(xiàn)過渡液相的等溫凝固，利于擴(kuò)散連接界面成分均勻化，提高擴(kuò)散接頭的結(jié)合強(qiáng)度。在航空、航海、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的擴(kuò)散連接材料疊加后的裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1、鈦合金，2、鈦粉，3、銅箔，4、超級鎳疊層復(fù)合材料，5、第一超級鎳復(fù)層，6、Ni80Cr20基層，7、第二超級鎳復(fù)層。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1：
將超級鎳疊層復(fù)合材料與TC4鈦合金進(jìn)行過渡液相擴(kuò)散連接，疊層材料的復(fù)層超級鎳厚度為0.3mm，基層Ni80Cr20合金厚度為2.4mm，TC4鈦合金的厚度為4mm，待連接面的尺寸均為100mm×260mm。擴(kuò)散連接工藝如下：
(1)依次采用200#、400#、600#不同型號的砂紙對待連接表面進(jìn)行打磨，試樣表面露出金屬光澤。采用丙酮試劑分別對疊層材料與TC4鈦合金的待連接表面進(jìn)行清洗，去除油污。采用10％的NaOH溶液對疊層材料與TC4鈦合金的待連接表面進(jìn)行堿洗，再用30％的HNO3溶液進(jìn)行酸洗，然后在酒精溶液進(jìn)行超聲沖洗。
(2)選用銅箔和鈦粉作為復(fù)合中間層，厚度為50μm，Cu箔和鈦粉純度均為99.9％，鈦粉粒度為200目。采用砂紙打磨銅箔上下兩個表面，用15％的HCl對銅表面進(jìn)行酸洗，保持4min，然后用酒精沖洗，吹干。將待擴(kuò)散連接的疊層材料、鈦合金、銅箔以及鈦粉放入真空干燥箱，在50℃下進(jìn)行干燥6h。
(3)將銅箔置于疊層材料的待連接表面，稱取與銅箔相同質(zhì)量的鈦粉，將鈦粉均勻平鋪在銅箔上，厚度約為20μm，再將鈦合金待連接面與鈦粉接觸，形成自下而上分別為疊層材料、銅箔、鈦粉、鈦合金的裝配結(jié)構(gòu)。如圖1所示，自上而下分別為鈦合金1、鈦粉2、銅箔3和超級鎳疊層復(fù)合材料4，其中，超級鎳疊層復(fù)合材料4包括第一超級鎳復(fù)層5、Ni80Cr20基層6和第二超級鎳復(fù)層7；鈦粉2均勻分布在銅箔3上。圖1中的上下箭頭方向即為對超級鎳疊層復(fù)合材料4和鈦合金1的施加壓力的方向。上面的各個材料相互接觸，在上下壓頭的壓力作用下壓緊。
(4)將疊放裝配好的擴(kuò)散連接試樣上下各用不銹鋼板對試樣進(jìn)行壓緊；需要在不銹鋼板與待連接試樣之間以及不銹鋼板與壓頭之間放置云母片，防止不必要的焊合。然后將組合件放入真空擴(kuò)散焊設(shè)備的真空室中。
(5)抽真空15min，真空度達(dá)到10-5Pa，開始加熱，升溫速度為6℃/min，升溫過程中在760℃和860℃分別設(shè)置保溫平臺，保溫時間控制在5min，然后升溫至980℃，保溫30min。為保證整個擴(kuò)散過程中界面緊密接觸，利于界面的擴(kuò)散結(jié)合，在加熱溫度達(dá)到980℃前5min開始施加壓力，在降溫開始5min后開始撤除壓力，施加的壓力為3MPa，壓力持續(xù)時間為40min。
(5)先采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行降溫，待真空室溫度降到300℃時，關(guān)閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，然后自然冷卻至100℃，打開真空室，取出被連接試樣。
得到的超級鎳疊層復(fù)合材料與TC4鈦合金的過渡液相擴(kuò)散焊的連接界面結(jié)合良好，未出現(xiàn)裂紋和未焊合等缺欠，擴(kuò)散接頭的抗剪強(qiáng)度均大于50MPa，能夠滿足疊層復(fù)合材料與TC4鈦合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)的使用性能要求。
實(shí)施例2：
將超級鎳疊層復(fù)合材料與TA15鈦合金進(jìn)行過渡液相擴(kuò)散連接，疊層材料的復(fù)層超級鎳厚度為0.3mm，基層Ni80Cr20合金厚度為2.4mm，T15鈦合金的厚度為3mm，待擴(kuò)散結(jié)合面為邊長150mm矩形接觸面。擴(kuò)散連接工藝如下：
(1)依次采用200#、400#、600#不同型號的砂紙對待連接表面進(jìn)行打磨，試樣表面露出金屬光澤。采用丙酮試劑分別對疊層材料與TA15鈦合金的待連接表面進(jìn)行清洗，去除油污。采用20％的NaOH溶液對疊層材料與TA15鈦合金的待連接表面進(jìn)行堿洗，再用40％的HNO3溶液進(jìn)行酸洗，然后在酒精溶液進(jìn)行超聲沖洗。
(2)選用銅箔和鈦粉作為復(fù)合中間層，厚度為60μm，Cu箔和鈦粉純度均為99.9％，鈦粉粒度為150目。采用砂紙打磨銅箔上下兩個表面，用5％的HCl對銅表面進(jìn)行酸洗，保持8min，然后用酒精沖洗，吹干。將待擴(kuò)散連接的疊層材料、鈦合金、銅箔以及鈦粉放入真空干燥箱，在50℃進(jìn)行干燥10h。
(3)將銅箔置于疊層材料的待連接表面，稱取與銅箔相同質(zhì)量的鈦粉，將鈦粉進(jìn)行均勻平鋪在銅箔上，厚度約為50μm，再將鈦合金待連接面與鈦粉接觸，形成自下而上分別為疊層材料、銅箔、鈦粉、鈦合金的裝配結(jié)構(gòu)。
(4)將疊放裝配好的擴(kuò)散連接試樣上下各用不銹鋼板對試樣進(jìn)行壓緊；需要在不銹鋼板與待連接試樣之間以及不銹鋼板與壓頭之間放置石墨紙，防止不必要的焊合。然后放入真空擴(kuò)散焊設(shè)備的真空室中。
(5)抽真空20min，真空度達(dá)到10-6Pa，開始加熱，升溫速度為20℃/min，升溫過程中在790℃和890℃分別設(shè)置保溫平臺，保溫時間控制在12min，然后升溫至940℃，保溫60min。為保證整個擴(kuò)散過程中界面緊密接觸，利于界面的擴(kuò)散結(jié)合，在加熱溫度達(dá)到940℃前5min開始施加壓力，在降溫開始5min后開始撤除壓力，施加壓力為5MPa，壓力持續(xù)時間為80min。
(5)先采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行降溫，待真空室溫度降到280℃，關(guān)閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，然后自然冷卻至80℃，打開真空室，取出被連接試樣。
超級鎳疊層復(fù)合材料與TA15鈦合金的過渡液相擴(kuò)散焊的連接界面結(jié)合良好，未出現(xiàn)裂紋和未焊合等缺欠，擴(kuò)散接頭的抗剪強(qiáng)度均大于60MPa，能夠滿足疊層復(fù)合材料與TA15鈦合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)的使用性能要求。
上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。