1.本發(fā)明涉及鈦合金擴(kuò)散焊領(lǐng)域，具體涉及一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法。

背景技術(shù)：

2.tc4、ta12和ta15等鈦合金具有較低的室溫塑性，在傳統(tǒng)的熔焊過程中，由于熱應(yīng)力的作用，容易產(chǎn)生熱裂紋。常規(guī)的擴(kuò)散連接鈦合金，利用真空熱壓爐，需要較高溫度和較長時間，甚至異質(zhì)鈦合金擴(kuò)散焊時，異質(zhì)鈦合金的合適擴(kuò)散連接溫度和壓力相差較大，易造成材料的微觀組織惡化，進(jìn)而影響焊接性能；并且長時間的加熱、保壓和冷卻，存在界面質(zhì)量差、工件變形、能耗高和效率低等問題。

3.擴(kuò)散焊是在一定溫度、壓力和真空條件下(或保護(hù)氣氛)，通過光潔表面間的原子短距離擴(kuò)散使待焊面實現(xiàn)可靠連接的固態(tài)焊接技術(shù)，能夠連接同種或異種材料。擴(kuò)散焊可以避免熱裂紋的產(chǎn)生，同時還適合多點、大面積構(gòu)件的連接。

4.熱氫處理是指將適量的氫作為臨時合金元素引入材料中，從而顯著改善其熱塑性及微觀組織的技術(shù)。采用熱氫處理既能大幅降低擴(kuò)散焊所需的溫度，又能有效改善擴(kuò)散焊接頭性能。然而氫在高真空和擴(kuò)散焊溫度范圍內(nèi)容易逸出，使置氫的效果大打折扣，采用脈沖大電流快速加熱，則能有效抑制氫的逸出，充分發(fā)揮置氫處理的作用，實現(xiàn)脈沖大電流促進(jìn)置氫鈦合金的低溫、高效和高強(qiáng)度擴(kuò)散焊。

5.中國航空制造技術(shù)研究院岳喜山等研究了鈦合金多層板的焊接方法及鈦合金多層板，設(shè)計鈦合金板為tc4或tc1，厚度在0.5

?

2mm，擴(kuò)散焊加熱溫度為800

?

900℃，保溫時間為3

?

5h，保溫完成后隨爐冷卻。拼焊后的多層板試樣，常溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到990mpa以上，延伸率均高于8％，350℃高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到680mpa以上，延伸率大于11％。(岳喜山，靜永娟，高興強(qiáng)，潘鵬，鈦合金多層板的焊接方法及鈦合金多層板，2019,zl201711047660.5)。該工藝下擴(kuò)散焊過程時間長、溫度高和能耗高。

6.哈爾濱工業(yè)大學(xué)何鵬等引入置氫0.5wt％的ti6al4v中間層對tial基合金進(jìn)行了擴(kuò)散焊研究。在850℃/15mpa/15min的擴(kuò)散連接條件下，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到290mpa。與直接擴(kuò)散連接相比，tial基合金的擴(kuò)散焊參數(shù)明顯優(yōu)化，特別是焊接溫度降低了350℃，時間縮短了45min，壓力降低了15mpa。但是，僅僅對ti6al4v中間層置氫處理，未對tial基合金母材置氫處理，而且由于升溫速率慢，在升溫過程中氫有大量逸出，未充分發(fā)揮置氫促進(jìn)擴(kuò)散焊的作用。

7.哈爾濱工業(yè)大學(xué)何鵬等利用置氫鈦或鈦合金箔片作為擴(kuò)散焊中間層，由于 ti在擴(kuò)散連接溫度下能形成ti3al和tial雙相組織，該雙相組織能夠有效提高接頭強(qiáng)度。氫導(dǎo)致鈦或鈦合金熱變形流動峰值應(yīng)力降低，同時氫在鈦或鈦合金中的自擴(kuò)散和溶質(zhì)擴(kuò)散能力較高，可以加速合金元素的擴(kuò)散。因此，置氫同時提高協(xié)調(diào)變形和原子擴(kuò)散能力，可以在相對較低的溫度下實現(xiàn)金屬間化合物接頭的可靠連接。(何鵬，馮吉才，王明，劉永斌，黃麟，一種真空擴(kuò)散連接 tial金屬間化合物的方法，2007,zl200710144686.1)盡管降低了擴(kuò)散焊溫度，但是擴(kuò)散焊時間依然很長，升溫速率慢導(dǎo)致氫有大量逸出，未充分發(fā)揮置氫促進(jìn)擴(kuò)散焊

的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

8.本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種降低擴(kuò)散溫度、促進(jìn)元素擴(kuò)散和優(yōu)化微觀組織，提高接頭強(qiáng)度，抑制擴(kuò)散焊過程中氫的逸出，充分發(fā)揮置氫對擴(kuò)散焊促進(jìn)作用的鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法。

9.本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

10.發(fā)明人了解到，被焊材料往往在高溫和高壓條件下長時間保溫，一種行之有效的方法是利用置氫和脈沖大電流輔助擴(kuò)散焊來改善材料的擴(kuò)散焊性能。而電輔助擴(kuò)散焊工藝是利用脈沖大電流直接作用于待焊坯料，升溫速度極快，可以大幅縮短擴(kuò)散焊工藝加熱和冷卻時間；脈沖電流還能有效優(yōu)化鈦合金的組織性能，脈沖電流有效提高ti和al等原子的擴(kuò)散能力，快速加熱促進(jìn)鈦合金再結(jié)晶和抑制晶粒長大，可優(yōu)化材料微觀組織和顯著改善連接界面性能，具體方案如下：

11.一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，該方法為：將鈦合金試樣先置氫處理，然后利用脈沖大電流能夠直接快速加熱待焊材料，升溫至設(shè)定的擴(kuò)散焊溫度后，再對待焊坯料施加設(shè)定的擴(kuò)散焊壓力，保溫保壓一段時間后卸壓；接著減小電流使連接鈦合金試樣降溫至除氫溫度，保溫一定時間進(jìn)行除氫，最后關(guān)閉電流冷卻至室溫。

12.本發(fā)明通過選擇合適的置氫量、電流大小和通電時間，控制擴(kuò)散焊溫度、壓力和時間等參數(shù)，在鈦合金界面處形成良好的冶金結(jié)合。實現(xiàn)同質(zhì)或異質(zhì)合金的低溫快速擴(kuò)散焊，接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材水平。

13.進(jìn)一步地，該方法具體包括以下步驟：

14.(1)置氫處理：鈦合金試樣放于置氫爐內(nèi)，將爐內(nèi)抽真空，升溫后通入高純氫氣，保溫一段時間后冷卻；鈦合金中的氫含量是用氫氣在充氫系統(tǒng)中的平衡分壓來控制，鈦合金置氫量可精確控制。

15.(2)擴(kuò)散焊裝料：將置氫處理后的鈦合金試樣裝入含有擴(kuò)散焊模具的擴(kuò)散焊壓力裝置，并抽真空；

16.(3)擴(kuò)散焊升溫加壓：向鈦合金試樣施加脈沖大電流，開始升溫，同時對鈦合金試樣施加壓力，保溫保壓一段時間后得到鈦合金連接件；脈沖大電流直接作用于待焊材料，依據(jù)待焊坯料尺寸，加熱至擴(kuò)散焊溫度僅需幾分鐘；脈沖電流快速加熱可避免真空條件下升溫和保溫過程氫的大量溢出，確保置氫促進(jìn)鈦合金低溫擴(kuò)散焊的有效作用；

17.(4)除氫處理：減小電流，并降溫至除氫溫度，并保溫一段時間進(jìn)行除氫，直到除氫完成。規(guī)定氫含量不大于0.0125wt％時，認(rèn)為除氫完成。

18.進(jìn)一步地，步驟(1)中所述升溫的溫度為690

?

700℃；所述抽真空的真空度低于5

×

10

?3pa；所述保溫的時間為0.8

?

1.2h，優(yōu)選0.8

?

1h。

19.進(jìn)一步地，步驟(2)中裝料時，將電極包覆在鈦合金試樣外，該電極的形狀與擴(kuò)散焊模具的形狀匹配，并通過導(dǎo)電墊塊連接擴(kuò)散焊壓力裝置。

20.進(jìn)一步地，步驟(2)中所述抽真空的真空度低于5

×

10

?3pa。

21.進(jìn)一步地，步驟(3)中所述升溫的溫度為700

?

780℃，優(yōu)選750

?

780℃，施加的壓力為5

?

10mpa，保溫保壓的時間為10

?

30min。

22.進(jìn)一步地，所述繼續(xù)升溫的升溫速率為100

?

600℃/min。

23.進(jìn)一步地，步驟(4)中所述的除氫溫度為650

?

700℃，除氫保溫時間為 45

?

60min。

24.進(jìn)一步地，在置氫處理和/或擴(kuò)散焊之前，將鈦合金表面用砂紙打磨和清洗。

25.進(jìn)一步地，所述的打磨，是打磨至表面粗糙度ra≤1.0μm；所述的清洗，是將試件放入丙酮中超聲清洗10

?

15min，用酒精擦拭待焊表面并吹干。

26.進(jìn)一步地，所述鈦合金試樣在置氫處理后氫含量為0.3

?

0.6wt％。

27.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

28.(1)本發(fā)明利用脈沖大電流直接加熱待焊材料，一方面極大縮短加熱和冷卻時間節(jié)約能源，減少真空高溫條件下氫的逸出，充分發(fā)揮置氫促進(jìn)鈦合金低溫擴(kuò)散焊的有效作用；其次電流促進(jìn)原子運(yùn)動，加速擴(kuò)散連接過程和縮短保溫時間；

29.(2)本發(fā)明中置氫和脈沖大電流耦合作用于鈦合金的擴(kuò)散焊能夠?qū)崿F(xiàn)其低溫快速連接的效果；

30.(3)該方法所獲得的擴(kuò)散焊接頭可達(dá)到母材剪切強(qiáng)度，無界面孔洞及裂紋等，且操作簡單，對擴(kuò)散焊設(shè)備無特殊要求；

31.(4)本發(fā)明解決了鈦合金傳統(tǒng)擴(kuò)散焊過程中連接溫度高、壓力大、周期長和能耗高傳統(tǒng)技術(shù)的不足。

附圖說明

32.圖1為本發(fā)明的鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

33.圖2為本發(fā)明脈沖大電流促進(jìn)置氫鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊工藝流程示意圖；

34.圖3為實施例1中完全焊合的ti

?

55鈦合金擴(kuò)散焊接頭；

35.圖中標(biāo)號所示：1

?

脈沖電源，2

?

上壓頭，3

?

熱電偶，4

?

擴(kuò)散焊設(shè)備爐體， 5

?

上電極，6

?

下電極，7

?

導(dǎo)電墊塊，8

?

抽真空裝置，9

?

下壓頭。

具體實施方式

36.下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

37.一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，該方法具體包括以下步驟：

38.(1)置氫處理：將鈦合金板材依次經(jīng)粗磨、精磨，精磨采用1500目砂紙，丙酮超聲波清洗及烘干，得到潔凈表面；鈦合金板材放于置氫爐內(nèi)，將爐內(nèi)抽真空且真空度低于5

×

10

?3pa，升溫至690

?

700℃后通入高純氫氣，保溫0.8

?

1.0 h后空冷至室溫；鈦合金中的氫含量是用氫氣在充氫系統(tǒng)中的平衡分壓來控制，鈦合金置氫量可精確控制。鈦合金試樣在置氫處理后氫含量為0.3

?

0.6wt％；

39.(2)擴(kuò)散焊裝料：將鈦合金待焊表面粗磨、精磨，精磨采用1500目砂紙，確保粗糙度值ra≤1.0μm；然后板材放入丙酮中超聲清洗10

?

15min，用酒精擦拭待焊表面并吹干，得到潔凈光亮的板材，將置氫處理后的鈦合金試樣裝入含有擴(kuò)散焊模具的擴(kuò)散焊壓力裝置，并抽真空；擴(kuò)散焊壓力裝置由脈沖電源1、上壓頭2、下壓頭9、上電極導(dǎo)體5、下電極導(dǎo)體6、擴(kuò)散焊設(shè)備爐體4、導(dǎo)電墊塊7、熱電偶3和抽真空裝置8組成?；阝伜辖鸶唠娮杪屎偷蛯?dǎo)熱系數(shù)的固有屬性，脈沖大電流直接加熱待焊工件即可實現(xiàn)快速升溫和保溫的目的。基于電流的焦耳熱對擴(kuò)散連接區(qū)域鈦合金直接加熱，通過脈沖電源、上下電極、模具和坯料構(gòu)成電流回

路。不需加熱整個擴(kuò)散爐，極大提高擴(kuò)散焊效率，將上電極5和下電極6形狀加工成擴(kuò)散焊板材的形狀，并將熱電偶3嵌入電極凹槽內(nèi)。將鈦合金板材依次疊放并固定，脈沖電源1正負(fù)極與電源正負(fù)極連接。然后板材置于兩個電極之間，上壓頭2下降至上電極5，利用分子泵或擴(kuò)散泵8 將擴(kuò)散焊爐內(nèi)的真空度抽至5

×

10

?3pa以下；

40.(3)擴(kuò)散焊升溫加壓：向鈦合金試樣施加脈沖大電流，控制電流大小以 100

?

600℃/min的速率升溫，升至擴(kuò)散焊溫度750

?

780℃后，通過上壓頭2、下壓頭9對待焊板材施加壓力5

?

10mpa；保溫保壓10

?

30min后，卸壓和停止加熱，得到完好的鈦合金連接件；脈沖大電流直接作用于待焊材料，依據(jù)待焊坯料尺寸，加熱至擴(kuò)散焊溫度僅需幾分鐘；脈沖電流快速加熱可避免真空條件下升溫和保溫過程氫的大量溢出，確保置氫促進(jìn)鈦合金低溫擴(kuò)散焊的有效作用；

41.(4)除氫處理：擴(kuò)散連接后鈦合金板材依然在擴(kuò)散焊爐內(nèi)，通過減小電流降溫至除氫溫度，并保溫一段時間進(jìn)行除氫，直到除氫完成。規(guī)定氫含量不大于0.0125wt％時，認(rèn)為除氫完成。

42.實施例1

43.本實施例中涉及的ti

?

55鈦合金均為工業(yè)化板材。

44.一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，該方法具體包括以下步驟：

45.(1)板材置氫預(yù)處理：將ti

?

55鈦合金板材依次經(jīng)粗磨、精磨，精磨采用1500目砂紙，丙酮超聲波清洗及烘干，得到潔凈表面；

46.(2)置氫處理：鈦合金板材放于置氫爐內(nèi)，將爐內(nèi)抽真空且真空度低于 5

×

10

?3pa，升溫至700℃后通入高純氫氣，保溫1h后空冷至室溫?？刂瞥錃湎到y(tǒng)中的平衡分壓來獲得氫含量0.5wt％的置氫ti

?

55鈦合金板材；

47.(3)板材擴(kuò)散焊預(yù)處理：鈦合金待焊表面粗磨、精磨，精磨采用1500 目砂紙，確保粗糙度值ra≤1.0μm；然后板材放入丙酮中超聲清洗10

?

15min，用酒精擦拭待焊表面并吹干，得到潔凈光亮的板材；

48.(4)擴(kuò)散焊裝料：將上電極5和下電極6形狀加工成擴(kuò)散焊板材的形狀，并將熱電偶3嵌入電極凹槽內(nèi)。將鈦合金板材依次疊放并固定，脈沖電源1 正負(fù)極與電源正負(fù)極連接。然后板材置于兩個電極之間，上壓頭2下降至上電極5，利用分子泵或擴(kuò)散泵8將擴(kuò)散焊爐內(nèi)的真空度抽至5

×

10

?3pa以下；

49.(5)擴(kuò)散焊升溫加壓：施加脈沖大電流，控制電流大小以不小于100℃/min 的速率升溫，升至擴(kuò)散焊溫度750℃后，通過上、下壓頭對待焊板材施加壓力 8mpa；保溫保壓20min后，得到完好的ti

?

55鈦合金連接件；

50.(6)除氫處理：擴(kuò)散連接后鈦合金連接件依然在擴(kuò)散焊爐內(nèi)，通過減小電流降溫至690℃并保溫60min后關(guān)閉電流冷卻至室溫。規(guī)定氫含量不大于 0.0125wt％時，認(rèn)為除氫完成。

51.實施例1中采用脈沖大電流輔助置氫擴(kuò)散焊，獲得了完全焊合的ti

?

55鈦合金擴(kuò)散焊接頭，如圖3，與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊相比，擴(kuò)散焊溫度降低100℃左右，晶粒細(xì)化30％以上。

52.對比例1

53.與實施例1的不同之處在于，擴(kuò)散焊升溫時，采用擴(kuò)散焊爐加熱(一般加熱速率不會超過20℃/min)。

54.實施例1與對比例1中的擴(kuò)散焊爐加熱相比，脈沖大電流輔助擴(kuò)散焊過程中氫的逸出量可以減少50％以上，接頭剪切強(qiáng)度從大約420mpa提高到750 mpa以上。

55.以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。技術(shù)特征：

1.一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，該方法為：將鈦合金試樣先置氫處理，然后利用脈沖大電流加熱待焊材料，升溫至設(shè)定的擴(kuò)散焊溫度后，再對待焊坯料施加設(shè)定的擴(kuò)散焊壓力，保溫保壓一段時間后卸壓；接著減小電流使連接鈦合金試樣降溫至除氫溫度，保溫一定時間進(jìn)行除氫，最后關(guān)閉電流冷卻至室溫。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：(1)置氫處理：鈦合金試樣放于置氫爐內(nèi)，將爐內(nèi)抽真空，升溫后通入高純氫氣，保溫一段時間后冷卻至室溫取出置氫試樣；(2)擴(kuò)散焊裝料：將置氫處理后的鈦合金試樣裝入含有擴(kuò)散焊模具的擴(kuò)散焊壓力裝置，并抽真空；(3)擴(kuò)散焊升溫加壓：向鈦合金試樣施加脈沖大電流，開始升溫，達(dá)到擴(kuò)散焊溫度后對鈦合金試樣施加壓力，保溫保壓一段時間后得到鈦合金連接件；(4)除氫處理：減小電流，并降溫至除氫溫度，并保溫一段時間進(jìn)行除氫，直到除氫完成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，步驟(1)中所述升溫的溫度為690

?

700℃；所述抽真空的真空度低于5

×

10

?3pa；所述保溫的時間為0.8

?

1.2h。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，步驟(2)中裝料時，將電極包覆在鈦合金試樣外，該電極的形狀與擴(kuò)散焊模具的形狀匹配，并通過導(dǎo)電墊塊連接擴(kuò)散焊壓力裝置。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，步驟(2)中所述抽真空的真空度低于5

×

10

?3pa。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，步驟(3)中所述升溫的溫度為700

?

780℃，施加的壓力為5

?

10mpa，保溫保壓的時間為10

?

30min。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，所述繼續(xù)升溫的升溫速率為100

?

600℃/min。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，步驟(4)中所述的除氫溫度為650

?

700℃，除氫保溫時間為45

?

60min。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，在置氫處理和/或擴(kuò)散焊之前，將鈦合金表面用砂紙打磨和清洗，所述的打磨，是打磨至表面粗糙度ra≤1.0μm；所述的清洗，是將試件放入丙酮中超聲清洗10

?

15min，用酒精擦拭待焊表面并吹干。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，其特征在于，所述鈦合金試樣在置氫處理后氫含量為0.3

?

0.6wt％。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種鈦合金低溫快速擴(kuò)散焊方法，該方法先將潔凈的鈦合金在純氫氣氛中置氫處理；再將置氫的鈦合金置于一定形狀的電極內(nèi)，其中電極依據(jù)擴(kuò)散焊模具的形狀和尺寸來設(shè)計，上壓頭下降接觸上電極，將電極保持密封并將擴(kuò)散焊爐抽真空；脈沖大電流經(jīng)上/下電極直接流過待焊板料，超快速加熱至擴(kuò)散焊溫度；通過上壓頭對待焊坯料施加設(shè)定的擴(kuò)散焊壓力，保溫保壓一段時間后卸壓；通過減小電流使連接試樣降溫至除氫溫度，保溫一定時間進(jìn)行除氫，然后關(guān)閉電流冷卻至室溫。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了鈦合金傳統(tǒng)擴(kuò)散焊過程中連接溫度高、壓力大、周期長和能耗高傳統(tǒng)技術(shù)的不足。壓力大、周期長和能耗高傳統(tǒng)技術(shù)的不足。壓力大、周期長和能耗高傳統(tǒng)技術(shù)的不足。

技術(shù)研發(fā)人員：李細(xì)鋒 李天樂 陳軍

受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.03.09

技術(shù)公布日：2021/6/25