專利名稱：一種低溫真空擴(kuò)散連接鈦合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦合金連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種真空擴(kuò)散連接鈥合金的 工藝方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有比強(qiáng)度髙、密度小、耐高溫、韌性好、抗疲勞性能和抗 腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)、石油、化工等 領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具備高性能的鈦合金新材料和特殊使用要 求的精密鈦合金構(gòu)件不斷涌現(xiàn)，這對(duì)現(xiàn)有的連接技術(shù)提出了嚴(yán)峻的考 驗(yàn)，發(fā)展新的連接方法大有必要。擴(kuò)散連接是鈦合金連接的常用方式之 一，靠高溫下材料表面的局部塑性變形使接觸面之間貼緊來(lái)保障連接材 料表層上原子的互擴(kuò)散，從而形成整體接頭。但由于一般擴(kuò)散連接溫度 較高，在某種程度上限制了這種連接工藝的實(shí)際應(yīng)用。固體薄膜材料尤 其是納米薄膜，在厚度這一特定方向上，尺寸很小，只是微觀可測(cè)的量， 而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物質(zhì)的連續(xù)性發(fā)生中斷， 由此對(duì)物性產(chǎn)生各種各樣的影響。例如，由于表面能的影響使熔點(diǎn)降低 等等。本發(fā)明提出以薄膜作為擴(kuò)散連接的中間層，利用其較大的表面能 可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)連接。磁控濺射是一種常用的薄膜制備手段， 制得的薄膜與基體具有良好的結(jié)合力、膜層致密均勻，薄膜晶粒度可達(dá) 納米量級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)鈦合金連接的一種 低溫真空擴(kuò)散連接鈦合金的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是包括下述工藝步驟
(1) 對(duì)待連接件進(jìn)行表面處理，先用200#、 400#、 600弁、800#、 1000#、 2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，再根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行機(jī)械拋光， 最后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗；
(2) 通過(guò)磁控濺射設(shè)備在待連接件表面沉積鈦基薄膜，薄膜厚度 為0.05~10|im，晶粒度為納米量級(jí)；(3)放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)，以10°C/min的升溫速率加熱，在溫度為 500~800°C、壓力為5 25MPa下恒壓保溫l 2h實(shí)現(xiàn)鈦合金的連接。 待連接件表面沉積的鈦基薄膜為單層或多層結(jié)構(gòu)。 待連接件表面沉積的鈦基薄膜由高純鈦靶或鈦合金靶經(jīng)磁控濺射 制得。
在待連接件表面沉積薄膜時(shí),采用在加熱或室溫下進(jìn)行磁控濺射。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是-.
釆用本發(fā)明可在低于常規(guī)擴(kuò)散連接溫度100 20(TC條件下實(shí)現(xiàn)鈥合 金的連接，并且連接接頭具有一定的強(qiáng)度。連接過(guò)程在一般真空擴(kuò)散爐 內(nèi)即可進(jìn)行，無(wú)需保護(hù)氣氛，工藝簡(jiǎn)單易行。
具體實(shí)施例方式
(1) 對(duì)待連接件進(jìn)行表面處理，先用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，再根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行機(jī)械拋光， 最后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗。
(2) 在待連接件表面沉積鈦基薄膜，通過(guò)磁控濺射沉積高純鈦靶 或鈦基合金納米薄膜，薄膜厚度為0.05 10pm;待連接件表面沉積的鈦 基薄膜為單層或多層結(jié)構(gòu)；釆用磁控濺射在待連接件表面沉積鈦基薄膜
時(shí)根據(jù)需要選擇采用對(duì)待連接件進(jìn)行加熱的方法。
(3) 放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)，以10°C/min的升溫速率加熱，在溫度為 500~800°C、壓力為5 25MPa下恒壓保溫1 2h實(shí)現(xiàn)鈦合金的連接。
U)連接結(jié)東后，連接件隨爐冷卻降溫至15(TC卸載，降溫至室溫 時(shí)取出。
實(shí)施例一
將待連接的TA15鈦合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，然后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗。釆用 純度>99.995% (重量)的高純鈦靶經(jīng)JCK-500型磁控濺射臺(tái)在兩個(gè)待 連接的TA15鈦合金表面沉積鈦薄膜，厚度約為ljmi。將待連接件對(duì)接 好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)并對(duì)其施加適當(dāng)壓力，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到 1.7xl0，a時(shí)開(kāi)始以10°C/min的升溫速率進(jìn)行加熱同時(shí)調(diào)節(jié)壓力大小， 在溫度為700°C、壓力為lOMPa下恒壓保溫lh進(jìn)行擴(kuò)散連接。連接結(jié) 東后，連接件隨爐冷卻降溫至150。C卸載，降溫至室溫時(shí)取出。用掃描 電鏡觀察連接接頭的組織形貌可見(jiàn)，中間層鈦薄膜與TA15鈦合金母材 基體結(jié)合良好，連接接頭致密無(wú)孔洞，具有一定的連接強(qiáng)度。 實(shí)施例二
將待連接的TC4鈦合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，然后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗。采用 TA15合金靶經(jīng)JCK-500型磁控濺射臺(tái)在兩個(gè)待連接件表面沉積，厚度 約為2pm。將連接面覆有薄膜的待連接件對(duì)接好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)并對(duì) 其施加適當(dāng)壓力，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到2.0xl(T3Pa時(shí)開(kāi)始以1(TC/min的升 溫速率進(jìn)行加熱同時(shí)調(diào)節(jié)壓力大小，在溫度為70(TC、壓力為10MPa下 恒壓保溫2h進(jìn)行擴(kuò)散連接。連接結(jié)束后，連接件隨爐冷卻降溫至150°C 卸載，降溫至室溫時(shí)取出。用掃描電鏡觀察連接接頭的組織形貌，可以 觀察到薄膜與TC4鈦合金母材基體結(jié)合良好，連接接頭致密無(wú)孔洞，具 有一定的連接強(qiáng)度。
實(shí)施例三
將待連接的TA15鈦合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、 2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，然后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗。采用 純度>99.995% (重量)的高純鈦靶和TA15合金乾，經(jīng)JCK-500型磁控 濺射臺(tái)在兩個(gè)待連接件表面沉積TA15/Ti多層膜。首先在待連接件表面 沉積純鈦膜，厚度約為0.25pm左右。然后沉積TA15膜，厚度約為l)im 左右。最后再沉積一層純鈦膜，厚度約為0.25|im左右。沉積完畢將待 連接件對(duì)接好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)并對(duì)其施加適當(dāng)壓力，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá) 到1.9xlO—3Pa時(shí)開(kāi)始以10°C/min的升溫速率進(jìn)行加熱同時(shí)調(diào)節(jié)壓力大 小，在溫度為700°C、壓力為lOMPa下恒壓保溫lh進(jìn)行擴(kuò)散連接。連 接結(jié)束后，連接件隨爐冷卻降溫至150。C卸載，降溫至室溫時(shí)取出。用 掃描電鏡觀察連接接頭的組織形貌可見(jiàn)，薄膜與TA15鈦合金母材基體 結(jié)合良好，連接接頭致密無(wú)孔洞，具有一定的連接強(qiáng)度。
實(shí)施例四
將待連接的TC4鈦合金表面用200#、 400#、 600#、 800#、 1000#、
2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，然后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗。釆用 純度>99.995% (重量)的高純鈥靶經(jīng)JCK-500型磁控濺射臺(tái)在兩個(gè)待 連接的TC4鈦合金表面沉積鈦薄膜。沉積薄膜前對(duì)待連接件進(jìn)行加熱，
加熱溫度為200°C,溫度均勻后開(kāi)始沉積薄膜，厚度約為1.5pm。將連 接面覆有薄膜的待連接件對(duì)接好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)并對(duì)其施加適當(dāng)壓 力，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到2.2xl0,a時(shí)開(kāi)始以1(TC/min的升溫速率進(jìn)行加 熱同時(shí)調(diào)節(jié)壓力大小，在溫度為70(TC、壓力為10MPa下恒壓保溫lh 進(jìn)行擴(kuò)散連接(請(qǐng)依合金酌情調(diào)整)。連接結(jié)東后，連接件隨爐冷卻降 溫至15(TC卸載，降溫至室溫時(shí)取出。用掃描電鏡觀察連接接頭的組織 形貌可見(jiàn)，中間層鈦薄膜與TC4鈦合金母材基體結(jié)合良好，連接接頭致 密無(wú)孔洞，具有一定的連接強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1. 一種低溫真空擴(kuò)散連接鈦合金的方法，其特征在于，包括下述工藝步驟(1)對(duì)待連接件進(jìn)行表面處理，先用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂紙逐級(jí)磨光，再根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行機(jī)械拋光，最后放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗；(2)通過(guò)磁控濺射設(shè)備在待連接件表面沉積鈦基薄膜，薄膜厚度為0.05～10μm，晶粒度為納米量級(jí)；(3)放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)，以10℃/min的升溫速率加熱，在溫度為500～800℃、壓力為5～25MPa下恒壓保溫1～2h實(shí)現(xiàn)鈦合金的連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫真空擴(kuò)散連接鈦合金的新方法， 其特征在于，待連接件表面沉積的鈦基薄膜為單層或多層結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫真空擴(kuò)散連接鈦合金的新方法， 其特征在于，待連接件表面沉積的鈦基薄膜由高純鈦靶或鈦合金靶經(jīng)磁 控濺射制得。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫真空擴(kuò)散連接鈦合金的新方法， 其特征在于，在待連接件表面沉積薄膜時(shí)，釆用在加熱或室溫下進(jìn)行磁 控濺射。
全文摘要
本發(fā)明屬于鈦合金連接技術(shù)領(lǐng)域。為了發(fā)展新的鈦合金連接方法，降低擴(kuò)散連接溫度，本發(fā)明提出采用磁控濺射設(shè)備在待連接件表面沉積鈦基薄膜作為連接中間層進(jìn)行鈦合金的真空擴(kuò)散連接新方法。磁控濺射制得的薄膜與鈦合金基體具有良好的結(jié)合力，膜層致密均勻，厚度在0.05～10μm之間，晶粒度可達(dá)納米量級(jí)，具有較大的表面能，可以在低于常規(guī)擴(kuò)散連接溫度100～200℃條件下實(shí)現(xiàn)鈦合金的連接，并且連接接頭具有一定的強(qiáng)度。連接過(guò)程在一般真空擴(kuò)散爐內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需保護(hù)氣氛，工藝簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101392363SQ200810172468
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者雷 葉, 欣 吳, 媛 周, 李曉紅, 唯 毛, 熊華平, 程耀永, 波 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院