高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法，屬于新 材料新工藝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著飛行速度及飛行距離的不斷提高，型號武器對其耐熱結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化要求就越 來越高。目前，在900~IKKTC左右使用的金屬材料大多為鎳基高溫合金或者合金鋼，其密 度在8~9g/cm 3之間，無法滿足型號結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的需求。高銀TiAl系金屬間化合物的密 度在4. 0g/cm3左右，在900~IKKTC左右具有優(yōu)越的高溫性能，可以在這個溫度區(qū)間成為 鎳基高溫合金或合金鋼的替代材料，從而使該部件的質(zhì)量降低50%左右。
[0003] TC4鈦合金是在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一。因此，高鈮 TiAl系金屬間化合物的工業(yè)化應(yīng)用必然涉及到高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金的 連接問題。由于高鈮TiAl系金屬間化合物具有室溫脆性，在運用氬弧焊、電子束焊、激光焊 等傳統(tǒng)的熔焊方法進行高鈮TiAl系金屬間化合物和TC4鈦合金連接的過程中，會在焊接區(qū) 域形成微裂紋；目前的擴散焊技術(shù)，包括摩擦焊、超塑性擴散焊及施壓擴散焊雖然可以制備 高鈮TiAl系金屬間化合物接頭，但是這些工藝方法要求焊接界面形狀簡單，配合良好，因 此無法滿足某些對焊接界面要求復雜的高鈮TiAl系金屬間化合物/TC4鈦合金復合構(gòu)件的 需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備 方法，該方法可制備出焊接部位及形狀可預先設(shè)計、可以為任意復雜形狀的型面，且焊接性 能穩(wěn)定可靠、焊接區(qū)域致密，無細微裂紋、接頭強度系數(shù)高的高鈮TiAl系金屬間化合物與 TC4鈦合金復合構(gòu)件。
[0005] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0006] 高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法，包括如下步驟：
[0007] (1)、將高鈮TiAl系金屬間化合物加工成需要的形狀，之后將高鈮TiAl系金屬間 化合物塊料和TC4鈦合金預合金粉末裝入同一個包套中，并對包套在一定溫度下進行抽真 空，使包套內(nèi)真空度滿足要求后封閉包套；
[0008] (2)、將包套放入熱等靜壓設(shè)備中，通過加壓升溫進行預處理；
[0009] (3)、將熱等靜壓設(shè)備中包套的溫度升溫至要求溫度，進行熱等靜壓擴散焊連接；
[0010] (4)、將包套隨爐冷卻至室溫，去除包套，得到高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦 合金復合構(gòu)件坯料，并根據(jù)需要對復合構(gòu)件坯料進行機械加工。
[0011] 在上述高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，高鈮TiAl 系金屬間化合物與TC4鈦合金連接的待焊接部位型面可為預先設(shè)計形狀型面，包括曲面和 平面。
[0012] 在上述高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，步驟（I) 將高鈮TiAl系金屬間化合物加工成需要的形狀后，可以在高鈮TiAl系金屬間化合物構(gòu)件 與TC4鈦合金連接的待焊接部位添加中間層金屬，所述中間層金屬為：純Ni、Ti-15Ni-15Cu 或者Ti3Al基合金。
[0013] 在上述高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，采用電 鍍、離子鍍或電弧沉積的方法將中間層金屬附著在高鈮TiAl系金屬間化合物構(gòu)件待焊接 部位表面。
[0014] 在上述高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，步驟（1) 中對包套進行抽真空的具體方法為：在室溫下抽真空時間多l(xiāng)h，待包套內(nèi)的真空度優(yōu)于 2 X KT3Pa后，將包套升溫至250~300°C，保溫2~3h ;待包套內(nèi)真空度優(yōu)于4 X KT3Pa 后，將包套升溫至600~800°C，保溫時間彡6h，待包套內(nèi)真空度優(yōu)于3 X KT 3Pa后封閉包 套。
[0015] 在上述高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，步驟（1) 中將焊接所用母材中熔點較高的高鈮TiAl系金屬間化合物作為保持焊接型面的塊料，狀 態(tài)可為鑄態(tài)、鍛造態(tài)或粉末冶金態(tài)化合物；將熔點較低的TC4鈦合金制成球形預合金粉末， 粉末的粒度要求為d彡180um的通粉。
[0016] 在上述高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，步驟（2) 中進行預處理的具體工藝方法為：將包套裝入熱等靜壓設(shè)備中，首先加壓使包套內(nèi)壓力至 37~45MPa，然后升溫至650~820°C，保溫1~2h。
[0017] 在上述高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，步驟（3) 中進行熱等靜壓擴散焊連接的具體工藝方法為：首先升溫使包套內(nèi)溫度為900~950Γ，保 溫3~4h，壓力控制在130~150MPa范圍內(nèi)，保溫結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫。
[0018] 在上述高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的制備方法中，包套的材 料為低碳鋼、不銹鋼或者純鈦材料。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：
[0020] (1)、本發(fā)明通過采用"粉-固共裝"、TC4鈦合金粉末預處理技術(shù)、高鈮TiAl系金 屬間化合物與TC4鈦合金熱等靜壓擴散連接技術(shù)等工藝方法，可以實現(xiàn)高鈮TiAl系金屬間 化合物與TC4鈦合金連接的焊接部位為任意復雜形狀型面下的高效可靠焊接，制備出的高 銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件焊接性能穩(wěn)定可靠、焊接區(qū)域致密，無細微 裂紋、接頭強度系數(shù)高；
[0021] (2)、本發(fā)明制備的高鈮TiAl系金屬間化合物（以 Ti-45Al-8. 5Nb-0. 2W-0. 3B-0. 02Y為例）與TC4鈦合金復合接頭的強度系數(shù)彡0. 8,高鈮 TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金焊接焊縫可靠、無裂紋，且TC4鈦合金材料致密度超過理 論密度的99%，TC4鈦合金材料的內(nèi)部質(zhì)量可達到GJB 1580A的A級水平；
[0022] (3)、本發(fā)明通過大量試驗對"粉-固共裝"、TC4鈦合金粉末預處理技術(shù)、高鈮TiAl 系金屬間化合物與TC4鈦合金熱等靜壓擴散連接技術(shù)的工藝條件進行優(yōu)化設(shè)計，顯著提升 了制備得到的復合構(gòu)件的質(zhì)量和性能。
[0023] (4)、本發(fā)明高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金連接的焊接部位及形狀可以 預先設(shè)計，可以為任意復雜形狀的型面，實現(xiàn)方法靈活多樣，滿足不同結(jié)構(gòu)需要，此外該制 備方法工藝簡單，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件制備方法流程圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明高鈮TiAl基金屬間化合物與TC4鈦合金"粉一固共裝"工藝示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明高鈮TiAl基金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的金相組織圖（帶 中間層金屬）；
[0027] 圖4為本發(fā)明高鈮TiAl基金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的斷口形貌（帶 中間層金屬）；
[0028] 圖5為本發(fā)明高鈮TiAl基金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件的金相組織圖（無 中間層金屬）；
[0029] 圖6為本發(fā)明高鈮TiAl基金屬間化合物/TC4鈦合金復合構(gòu)件的斷口形貌（無中 間層金屬）。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：
[0031] 本發(fā)明的主要創(chuàng)新點主要集中在"粉-固共裝"、TC4鈦合金粉末預處理技術(shù)、高鈮 TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金熱等靜壓擴散連接技術(shù)等工藝方法。
[0032] (1)高鈮TiAl系金屬間化合物塊料與TC4鈦合金預合金粉末"粉-固共裝"的工 藝方法
[0033] 目前，常見的擴散連接技術(shù)只能焊接形狀比較簡單且相互配合較好的雙金屬接 頭，對于焊接界面形狀比較復雜的雙金屬接頭具有很大的困難。本發(fā)明在粉末冶金技術(shù)研 究的基礎(chǔ)上，提出了將高熔點的基材做成塊料，將熔點低的基材做成球形預合金粉末，利用 球形粉末良好的流動性確保兩種基材在焊接界面處緊密接觸，如圖2所示為本發(fā)明高鈮 TiAl基金屬間化合物與TC4鈦合金"粉一固共裝"工藝示意圖，圖中1表示TC4鈦合金粉 末，2表示高鈮TiAl粉末，3表示除氣管，4表示包套。運用本發(fā)明提出的"粉-固共裝"方 法，可以按照產(chǎn)品的要求制備出任意形狀的焊接界面，達到焊接界面可"預先設(shè)計"的目的。
[0034] (2) TC4鈦合金預合金粉末預處理技術(shù)
[0035] -般而言，雙金屬復合構(gòu)件的擴散焊溫度較高。在此溫度下，兩種基材的都易于變 形，因此，需要在達到擴散焊溫度之前對低熔點的基材進行致密化處理。
[0036] 本發(fā)明在通過大量試驗研究的基礎(chǔ)上，提出了對低熔點基材的預合金粉末進行預 處理的技術(shù)。在預處理期間，低熔點材料的預合金粉末（本方法中為TC4鈦合金預合金粉 末）在某個較低的熱等靜壓溫度范圍內(nèi)進行完全致密化，而高熔點的基材塊料的形狀在此 溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生顯著的形變。通過預處理，低熔點基材的預合金粉末形成塊料，并在焊 接界面處與高熔點基礎(chǔ)緊密接觸。
[0037] (3)高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金熱等靜壓擴散連接技術(shù)
[0038] 常規(guī)擴散焊技術(shù)的工藝參數(shù)只是考慮了中間層金屬的擴散情況，而無其它方面的 考慮。本發(fā)明涉及的熱等靜壓擴散連接技術(shù)的研究過程中不僅考慮中間層金屬以及兩種基 材之間的相互擴散，而且必須考慮低熔點基材（本發(fā)明中為TC4鈦合金）粉末顆粒之間的 擴散以及高鈮TiAl系金屬間化合物材料在此熱等靜壓擴散連接溫度范圍內(nèi)的相變。通過 大量的試驗研究，申請人獲得了最佳的高鈮TiAl系金屬間化合物/TC4鈦合金熱等靜壓擴 散焊技術(shù)的工藝參數(shù)。
[0039] 在上述創(chuàng)新點的基礎(chǔ)上，申請人通過如下工藝方法制備了焊接界面可"預先設(shè) 計"、具有較高焊接強度的高鈮TiAl系金屬間化合物/TC4鈦合金復合構(gòu)件。如圖1所示為 本發(fā)明高鈮TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金復合構(gòu)件制備方法流程圖。
[0040] 步驟（1)、按照復合構(gòu)件中高銀TiAl系金屬間化合物與TC4鈦合金焊接界面的位 置及形狀，將高熔點的高鈮TiAl系金屬間化合物加工成特定形狀的塊料，塊料的制造方法 可以是鑄造、熱變形或者粉末冶金等方法。塊料的特定部位形狀和位置與焊接界面的形狀 和位置一致；將低熔點的TC4鈦合金制成球形預合金粉末，粉末的粒度要求為ISOum的 通粉。
[0041] 步驟（2)、將高鈮TiAl系金屬間化合物塊料和TC4鈦合金預合金粉末裝入包套中。 包套的材料可以是低碳鋼、不銹鋼或者純鈦等材料。然后對包套進行除氣（抽真空）。除氣 方法：在室溫下除氣時間彡lh，待包套內(nèi)的真空度優(yōu)于（小于）2X KT3Pa后，將包套升溫 至250~300°C，保溫2~3h ;待包套內(nèi)真空度優(yōu)于（小于）4X KT3Pa后，將包套升溫至 600~800°C，保溫時間彡6h，待包套內(nèi)真空度優(yōu)于（小于）3 X KT3Pa后封閉包套。
[0042] 步驟（3)、將包套放入熱等