專利名稱：鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及鈦基復(fù)合材料的二次加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法。
背景技術(shù)：
隨著高科技和國防軍エ發(fā)展的需要，鈦基復(fù)合材料(TMCs)，尤其是顆粒增強鈦基復(fù)合材料(PTMCs)以其高比強度、比剛度和良好的抗高溫性能，在國防、宇航、電器儀表等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景，成為超高音速宇航飛行器發(fā)動機的候選材料，在氣體渦輪機發(fā)動機風(fēng)扇葉片、飛機起落架、飛機構(gòu)架結(jié)構(gòu)、汽車エ業(yè)等方面具有良好的工程應(yīng)用前景。顆粒增強鈦基復(fù)合材料(PTMCs)的制備和加工エ藝、界面特性、性能評價和實驗方法等方面開展了大量富有成效的研究工作。然唯有PTMCs焊接性和焊接エ藝的研究遠(yuǎn)落后于其它方面的研究，嚴(yán)重制約該類材料的應(yīng)用發(fā)展。ー種新材料只有被加工成結(jié)構(gòu)件才具有真正的實用價值，其廣泛應(yīng)用肯定會涉及到其焊接連接問題，而有時甚至焊接是唯一的加工手段。就単一的鈦合金來說，常規(guī)各種焊接エ藝都是廣泛應(yīng)用的效率高、成本效益好的加工方法，但對于TMCs，其由成分、結(jié)構(gòu)和性能相差很大的金屬和非金屬材料復(fù)合而成， 它們之間的物化相容性較差，因此，與基體相比，TMCs的焊接性有很大的差異，困難較大。從70年代開始研究TMCs材料，國外主要研究了航天飛機用連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的焊接問題，已取得工程上的成功應(yīng)用。但在如何簡化工藝、提高效率、降低成本和擴大應(yīng)用領(lǐng)域等方面仍有待進(jìn)ー步研究，焊接仍是TMCs材料的難題之一。而對PTMCs材料的焊接性研究則更少。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，國外專家學(xué)者對纖維增強鈦基復(fù)合材料的熔焊法和固態(tài)連接法等エ藝進(jìn)行諸多嘗試。Hirose等(Diffusion bonding of SiC fiber reinforced Ti_6Al_4V alloy,Mat. Sci. and Tech. , 1992,8(9) :811-815)研究以未強化合金作為中間層擴散焊連接40SiC% (纖維)強化的Ti-6A1-4V鈦合金焊接性。Paul等申請了 "Friction Stir Welding ofMetal Matrix Composites”(專利號US20080156846A1)，該方法解決了纖維增強金屬基復(fù)合材料焊接的界面問題，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。Baeslack 等(Capacitor Discharge Resistance bpot Welding οι Siし Fiber-Reiniorced Ti-6A1-4V. Welding Journal, October 1993:479-491)采用電容放電點焊成功地連接了 35% SiCf/Ti-6Al-4V|t$i。 Antonio · (Mechanical and Metallurgical Properties of Friction—Welded TiC Particulate Reinforced Ti-6A1_4V, Composites Science and Technology，2004，64 :1495-1501)研究了慣性摩擦焊對鈦基復(fù)合材料(10% TiC/ Ti-6A1-4V)的影響規(guī)律與機制。由上述可以看出，目前比較成熟的也僅僅是連續(xù)長纖維增強鈦基復(fù)合材料的焊接，而這種復(fù)合材料的焊接，實際上主要是復(fù)合材料外層基體與基體之間的連接，并非復(fù)合材料之間的連接。并且，上述焊接ェ藝，無論是擴散焊連接，電容放電焊，還是摩擦焊，都存在ェ藝復(fù)雜的缺點，對焊接接頭形式或尺寸有特殊要求，其應(yīng)用適用性受到限制，焊接接頭性能達(dá)不到使用要求，至今還沒有成功用于エ業(yè)批量生產(chǎn)的報道。而國內(nèi)主要集中在鋁基復(fù)合材料或鈦合金方面的焊接エ藝研究，尚未看到有鈦基復(fù)合材料，尤其是非連續(xù)增強鈦基復(fù)合材料焊接研究的相關(guān)報道。另外，雖然惰性氣體保護(hù)氬弧焊(GTAW)エ藝在鈦基復(fù)合材料的焊接應(yīng)用方面也得到了有益的嘗試，但其所得到的焊縫熔寬和熱影響區(qū)寬度較寬， 對母材的損傷程度較大，力學(xué)機械性能等不能滿足工程上對材料連接的要求。迄今為止， 人們還未找到ー種行之有效的焊接方法用于鈦基復(fù)合材料實際結(jié)構(gòu)的連接之中。Burke等申請 Ji “Method for laser beam welding metal matrix composite components”(專不丨J 號US4803334)，該方法用激光焊接填充焊絲的エ藝解決了復(fù)合材料焊縫成份的均勻性的問題，但該エ藝焊接接頭強度不高，過程復(fù)雜，不利于工程化需要的技術(shù)問題。綜上，目前對鈦基復(fù)合材料的焊接研究多集中在固態(tài)非熔化焊エ藝方法，且未涉及鈦基復(fù)合材料焊后接頭熱處理工藝，未發(fā)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭焊后熱處理工藝的報道。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明目的在于提供一種減少焊縫熔寬和熱影響區(qū)寬度，并提高顆粒增強鈦基復(fù)合材料焊接接頭綜合性能的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法。為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)ー種鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，采用兩個待焊的鈦基復(fù)合材料焊件對接或搭接，實現(xiàn)同種鈦基復(fù)合材料的高質(zhì)量接頭焊接，包括以下步驟(1)對待焊的鈦基復(fù)合材料板材進(jìn)行除油、酸洗、光亮處理等焊前表面預(yù)處理，去除母材油污、氧化物和附著物；(2)將步驟(1)預(yù)處理后的焊件對接或搭接，采用CO2連續(xù)激光焊接エ藝焊接鈦基復(fù)合材料板材，采用高純氬氣對母材焊縫正反面進(jìn)行氣體保護(hù)；(3)在真空條件下，采用(950 1100) °Cバ0. 5 2)h+(850 1000) °Cバ0. 5 2)h+(400 500)で/(1 Oh熱處理制度對鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理；(4)將經(jīng)過熱處理后的鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行隨爐冷卻或空氣冷卻。依照本發(fā)明所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，步驟(1)中的鈦基復(fù)合材料板材包括增強體，增強體為TiB、TiC和稀土氧化物顆粒中的ー種或多種。依照本發(fā)明所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，步驟(1)中的鈦基復(fù)合材料板材為兩邊等厚的板材，且其厚度為0. 5 3. 0mm。依照本發(fā)明所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，步驟(1)中的除油劑為 QTA-300型，其與水配比為1 10 1 30，溶液溫度為50°C。依照本發(fā)明所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，步驟(1)中的酸洗在室溫下用質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸、質(zhì)量濃度為70%的硝酸和質(zhì)量濃度為40%的鹽酸配比成的混合溶液中進(jìn)行，且三者的濃度按體積比計算分別為氫氟酸(0. 2 2. 0) % 硝酸 (6 20) % 鹽酸05 50) %，浸泡時間為8 20min ；依照本發(fā)明所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，步驟(1)中的光亮處理在在用質(zhì)量濃度為70%的硝酸和質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸配比成的混合溶液中進(jìn)行，且二者的濃度按體積比計算分別為硝酸(15 45) % 氫氟酸O 8) %，光亮處理時間為 3 lOmin，溶液溫度在45°C 70°C。依照本發(fā)明所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，步驟O)中激光焊接エ藝參數(shù)為連續(xù)激光功率為1000 3000W，焊接速度為0. 2 5. Om/min,離焦量為 (-2. 5 -0. 5) mm，保護(hù)氣體氬氣流量為正反面氣體流量10 35L/min，尾拖罩氣體流量 5 30L/mino本發(fā)明的方法在焊接過程中僅采用兩個待焊的鈦基復(fù)合材料板材對接或者搭接， 實現(xiàn)同種鈦基復(fù)合材料的高質(zhì)量接頭的焊接，焊接接頭的室溫抗拉強度不低于母材強度的 93.4%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有簡單易行、焊接接頭強度高、與母材強度接近，對焊接接頭形式、焊件尺寸、焊接位置等エ藝適應(yīng)性強的優(yōu)點。另外，激光焊接能量密度高，焊縫窄，熱影響區(qū)小，對母材的熱損傷小，室溫塑性相對較好。同時，采用的熱處理工藝有效提高激光焊接接頭的綜合性能。本發(fā)明對鈦基復(fù)合材料的工程規(guī)?；瘧?yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)，起到推動作用，可用于エ業(yè)批量生產(chǎn)，適于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的需要，具有較高的工程應(yīng)用價值， 有效解決了制約鈦基復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的連接技術(shù)問題，應(yīng)用前景廣泛。


圖1為本發(fā)明鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法的流程原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖并列舉實施例對本發(fā)明的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法作進(jìn)ー步描述。實例僅為了進(jìn)ー步說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明內(nèi)容。請參閱圖1，ー種鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，采用兩個待焊的鈦基復(fù)合材料焊件對接或搭接，實現(xiàn)同種鈦基復(fù)合材料的高質(zhì)量接頭的焊接，包括以下步驟Sll 對待焊的鈦基復(fù)合材料板材進(jìn)行除油、酸洗、光亮處理等焊前表面預(yù)處理，去除母材油污、氧化物和附著物。在本發(fā)明中，鈦基復(fù)合材料板材為非連續(xù)增強鈦基復(fù)合材料，具體為顆粒增強鈦基復(fù)合材料。鈦基復(fù)合材料包括基體和增強體，基體是各種鈦及鈦合金，增強體為TiB、TiC 和稀土氧化物顆粒中的ー種或多種。且上述的板材為兩邊等厚的板材，其厚度為0. 5 j. Omm0上述的除油劑為QTA-300型，其與水配比為1 10 1 30，溶液溫度為50°C。 酸洗在室溫下以氫氟酸(0. 2 2. 0) % 硝酸(6 20) % 鹽酸(25 50) %比例配成的混合酸溶液中進(jìn)行，浸泡時間為12min ；光亮處理在以硝酸(15 45) % 氫氟酸0 8) % 比例配成的混合酸溶液中進(jìn)行，處理時間為3 lOmin，溶液溫度在45 70°C。S12 將步驟Sll預(yù)處理后的焊件對接或搭接，采用(X)2連續(xù)激光焊接エ藝焊接鈦基復(fù)合材料板材，施以高純氬氣對母材焊縫正反面進(jìn)行氣體保護(hù)。激光焊接エ藝參數(shù)為連續(xù)激光功率為1000 3000W，焊接速度為0. 2 5. Om/ min，離焦量為(-2. 5 -0. 5) mm，保護(hù)氣體氬氣流量為正反面氣體流量10 35L/min，尾拖罩氣體流量5 30L/min。S13 在真空條件下，采用(950 1100) °C バ0. 5 2)h+(850 1000) °C バ0. 5 500)で/(1 Oh熱處理制度對鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理。S14:將經(jīng)過熱處理后的鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行隨爐冷卻或空氣冷卻。以下分別列舉實施例對本發(fā)明進(jìn)ー步說明實施例1將0. 5mm厚的2% TiB/Ti_6Al_4V鈦基復(fù)合材料板材加工成200X 120mm焊件， 焊前板材須進(jìn)行焊前表面預(yù)處理，用QTA-300型除油剤，其與水配比為1 10，溫度為 50°C，溫水沖洗，烘干；然后板材在室溫下的0. 2% HF+8% HN0s+32% HC混合溶液中酸洗 12min，再在45°C的25% HN03+2% HF溶液中進(jìn)行光亮處理，處理時間為3min，然后沖洗， 烘干。將處理后的待焊件用焊接夾具壓緊，實施對焊結(jié)構(gòu)，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進(jìn)行氣體保護(hù)，氣體流量為lOL/min，尾拖罩氬氣保護(hù)氣體流量為5L/min，激光功率為1000W， 焊接速度為1. 2m/min,離焦量為_2. 5mm,實現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的激光焊焊接，最后將焊件在 9500C /0. 5h+850°C /lh+400°C /lh條件下進(jìn)行真空熱處理。焊接接頭拉伸試驗結(jié)果表明， 焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 910. 8MPa，達(dá)到母材鈦基復(fù)合材料強度的93. 5%。實施例2將1. Omm厚的6 % (TiB+TiC) /Ti-3Al-2Mo_2Zr鈦基復(fù)合材料板材加工成 200 X 120mm焊件，焊前對板材進(jìn)行焊前表面預(yù)處理，用QTA-300型除油剤，其與水的配比為 1 15，溫度為50°C，沖洗，烘干；然后板材在室溫下的0.5^^+6% ^(^+:35% HCl混合溶液中酸洗lOmin，再在50°C的35% HN03+2% HF溶液中進(jìn)行光亮處理，處理時間為5min，然后沖洗，烘干。將處理后的待焊件用焊接夾具壓緊，實施對焊結(jié)構(gòu)，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進(jìn)行氣體保護(hù)，氣體流量為15L/min，尾拖罩氣體流量為lOL/min，激光功率為1400W， 焊接速度為2. 4m/min,離焦量為-1. 5mm,實現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的激光焊焊接，最后將焊件在 9800C /lh+900°C /lh+430°C /1. 5h條件下進(jìn)行真空熱處理。焊接接頭拉伸試驗結(jié)果表明， 焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 862. 3MPa，達(dá)到母材鈦基復(fù)合材料強度的94. 3%。實施例3將1. 5mm 厚的 4% (TiB+Y203)/Ti-6. 5Al-2Zr-lMo_lV 鈦基復(fù)合材料板材加工成 200 X 120mm焊件，焊前板材須進(jìn)行焊前表面預(yù)處理，用QTA-300型除油剤，其與水的配比為 1 20，溫度為50°C，沖洗，烘干；然后板材在室溫下的1. 0% HF+10% HN03+45% HCl混合溶液中酸洗15min，再在65°C的45% HN03+4% HF溶液中進(jìn)行光亮處理，處理時間為8min， 然后沖洗，烘干。將處理后的待焊件用焊接夾具壓緊，實施對焊結(jié)構(gòu)，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為22L/min，尾拖罩氬氣保護(hù)氣體流量為14L/min，激光功率為 2000V，焊接速度為3. Ocm/min，離焦量為-1. Omm,實現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的激光焊焊接，最后將焊件在1000°C /1. 5h+850°C /1. 5h+450°C /2. 5h條件下進(jìn)行真空熱處理。拉伸試驗結(jié)果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 1140. 5MPa，達(dá)到母材鈦基復(fù)合材料強度的93. 8%。實施例4將2. Omm 厚的 6 % (TiB+TiC+Y203) /Ti-6Al-2Sn-4Zr_2Mo 鈦基復(fù)合材料板材線切割加工成200X 120mm焊件，焊前對板材進(jìn)行焊前表面預(yù)處理，用QTA-300型除油劑，其與水的配比為1 20，溫度為50°C，溫水沖洗，烘干；然后板材在室溫下的1.5% HF+15 % HN03+45 % HCl混合酸溶液中酸洗15min,再在60°C的40 % HN03+4 % HF混合溶液中進(jìn)行光亮處理，處理時間為5min，然后清水沖洗，烘干。將表面預(yù)處理后的待焊
6件用焊接夾具壓緊，實施對焊結(jié)構(gòu)，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進(jìn)行氣體保護(hù)，氣體流量為20L/min，尾拖罩中氬氣保護(hù)氣體流量為23L/min，激光功率為電壓為2500V， 焊接速度為3. 6m/min,離焦量為-0. 5mm,實現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的激光焊焊接，將焊件在 10500C /2h+950°C /1. 5h+450°C /3. 5h條件下進(jìn)行真空熱處理。焊接接頭拉伸試驗結(jié)果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 1138. 5MPa，達(dá)到母材鈦基復(fù)合材料強度的94. 2%。實施例5將3. Omm 厚的 10% (TiB+TiC+Nd203) /Ti-3Al-lMo-lZr-lNi 鈦基復(fù)合材料板材加 エ成200 X 120mm焊件，焊前對板材進(jìn)行焊前表面預(yù)處理，用QTA-300型除油剤，其與水的配比為1 25，溫度為50°C，清水沖洗，烘干；然后板材在室溫下的2% HF+20% HN03+50% HCl混合溶液中酸洗lOmin，再在55°C的40% HN03+2% HF溶液中進(jìn)行光亮處理，處理時間為 6min，然后沖洗，烘干。將表面處理后的待焊件用焊接夾具壓緊，實施對焊結(jié)構(gòu)，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進(jìn)行氣體保護(hù)，氣體流量為27L/min，尾拖罩氬氣保護(hù)氣體流量為20L/ min，激光功率為3000W，焊接速度為4. 5m/min，離焦量為-0. 5mm，實現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的激光焊焊接，將焊件在1070°C /1. 5h+900°C /1. 0h+500°C /4. 5h條件下進(jìn)行真空熱處理。焊接接頭拉伸試驗結(jié)果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 847. 4MPa，達(dá)到母材鈦基復(fù)合材料強度的 94. 5%。、以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用同等變換或者替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，采用兩個待焊的鈦基復(fù)合材料焊件對接或搭接，實現(xiàn)同種鈦基復(fù)合材料的高質(zhì)量接頭焊接，其特征在干，包括以下步驟(1)對待焊的鈦基復(fù)合材料板材進(jìn)行除油、酸洗、光亮處理等焊前表面預(yù)處理，去除母材油污、氧化物和附著物；(2)將步驟(1)預(yù)處理后的焊件對接或搭接，采用CO2連續(xù)激光焊接エ藝焊接鈦基復(fù)合材料板材，采用高純氬氣對母材焊縫正反面進(jìn)行氣體保護(hù)；(3)在真空條件下，采用(950 1100)"Cバ0. 5 2)h+(850 1000) "Cバ0. 5 2) h+(400 500)で/(1 Oh熱處理制度對鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理；(4)將經(jīng)過熱處理后的鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行隨爐冷卻或空氣冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，其特征在干，步驟(1) 中所述的鈦基復(fù)合材料板材包括增強體，所述增強體為TiB、TiC和稀土氧化物顆粒中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，其特征在干，步驟(1) 中所述的鈦基復(fù)合材料板材為兩邊等厚的板材，且其厚度為0. 5 3. 0mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，其特征在干，步驟(1) 中所述的除油劑為QTA-300型，其與水配比為1 10 1 30，溶液溫度為50°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，其特征在干，步驟 (1)中所述的酸洗在室溫下用質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸、質(zhì)量濃度為70%的硝酸和質(zhì)量濃度為40%的鹽酸配比成的混合溶液中進(jìn)行，且三者的濃度按體積比計算分別為氫氟酸 (0. 2 2. 0) % 硝酸(6 20) % 鹽酸05 50) %，浸泡時間為8 20min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，其特征在干，步驟(1) 中所述的光亮處理在用質(zhì)量濃度為70%的硝酸和質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸配比成的混合溶液中進(jìn)行，且二者的濃度按體積比計算分別為硝酸(15 45)% 氫氟酸0 8)%，光亮處理時間為3 lOmin，溶液溫度在45°C 70°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，其特征在干，步驟(2) 中激光焊接エ藝參數(shù)為連續(xù)激光功率為1000 3000W，焊接速度為0. 2 5. Om/min,離焦量為(-2. 5 -0. 5) mm，保護(hù)氣體氬氣流量為正反面氣體流量10 35L/min，尾拖罩氣體流量5 30L/min。
全文摘要
一種鈦基復(fù)合材料焊接及焊后熱處理方法，首先，對待焊的鈦基復(fù)合材料板材進(jìn)行除油、酸洗、光亮處理等表面預(yù)處理，去除母材油污、氧化物和附著物；然后，將處理后的焊件對接或搭接，采用CO2連續(xù)激光焊接工藝焊接鈦基復(fù)合材料板材，采用高純氬氣對母材焊縫進(jìn)行氣體保護(hù)；之后，在真空條件下，采用(950～1100)℃/(0.5～2)h+(850～1000)℃/(0.5～2)h+(400～500)℃/(1～5)h熱處理制度對鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理；最后，將經(jīng)過熱處理后的鈦基復(fù)合材料激光焊接接頭進(jìn)行隨爐冷卻或空氣冷卻。本發(fā)明具有簡單易行、焊接接頭強度高、金屬熱損傷少和焊縫窄，適于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的優(yōu)點。
文檔編號B23K26/32GK102554470SQ201210008589
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者呂維潔, 張荻, 毛建偉, 王敏敏, 王方秋, 王立強, 覃繼寧 申請人:上海交通大學(xué)