一種過渡液相輔助固相連接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種過渡液相輔助固相連接技術，屬于瞬間液相連接與擴散焊的混合技術；適用于單晶材料的高效連接，尤其適用于航空發動機渦輪葉片等高溫結構材料的連接。
【背景技術】
[0002]金屬間化合物、復合材料、非晶態材料及單晶材料等新材料，采用傳統的熔焊方法很難實現可靠連接。國內外主要采用釬焊、瞬間液相擴散焊(TLP)、固相擴散焊等方法。
[0003]釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的方法。相比熔焊方法，釬焊具有母材不熔化，釬料熔化冷卻凝固連接母材的優點，然而這也導致釬焊接頭的強度及使用溫度較低，而且接頭組織易形成脆性相等缺點。
[0004]瞬間液相擴散焊是用一種特殊成分、熔化溫度較低的薄中間層作為過渡合金，放置在連接面之間。施加較小的壓力或不施加壓力，在真空條件下加熱到中間層合金熔化，液態的中間層合金潤濕母材，在連接界面間形成均勻的液態薄膜。經過一定的保溫時間，中間層合金與母材之間發生擴散，合金元素趨向與平衡，形成牢固的連接。瞬間液相擴散焊由于其能獲得接近母材性能的接頭，廣泛應用于航空、航天、核工業中。然而，瞬間液相擴散焊中間液相需要經常長時間的等溫凝固才能獲得組織均勻的接頭，部分殘留的降熔元素(B、Si)使接頭的使用溫度降低，這極大的限制了其應用。
[0005]固相擴散焊不需添加降熔元素，可獲得使用溫度較高的接頭，并且可焊接其他熔焊難以焊接的材料等優點廣泛受到關注。常規的固相擴散焊，是在一定的溫度和壓力下，經過一定的時間，焊件接觸界面原子間相互擴散而實現的可靠連接。固相擴散焊解決了許多用熔焊方法難以連接的材料的可靠連接。但由于其連接過程中材料處于固相，其對連接界面表面平整度、粗糙度較苛刻，以及表面氧化膜層及加工硬化層的存在也影響著接頭的性能。因此，要獲得性能良好的固相接頭，必須去除表面氧化膜層及加工硬化層，為母材的連接創造固相擴散焊的條件。
[0006]結合渡液相擴散焊及固相擴散焊的特點，將過渡液相擴散焊的液相形成過程與固相擴散焊復合，獲得固相連接接頭，同時，克服一般釬焊、過渡液相擴散焊和固相擴散焊的諸多缺點，能實現高溫合金材料快速固相連接，避免固相焊接頭表面清理的復雜工序，降低殘留降熔元素對接頭高溫性能的不利影響，特別適用于航空發動機渦輪葉片的制造。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種過渡液相輔助固相連接方法，該方法可用于單晶等高溫合金的固相焊接。
[0008]本發明是這樣來實現的，一種過渡液相輔助固相連接方法，其特征是方法步驟為:待焊材料表面打磨處理，并盡量保證待焊材料的晶體取向一致，在待焊材料之間加入含降熔元素的中間層，在真空擴散焊爐中，加熱至中間層熔點與待焊材料熔點之間，通過降熔元素與待焊材料之間的互擴散，使得待連接件表面層局部液化，隨即施加一定的頂鍛力，將液相擠出，去除表面物理及化學不均勻層，并在頂鍛力的作用下，使兩待焊件達到原子間距離，繼續短時保溫擴散，快速形成固相連接。
[0009]本發明中待焊材料表面打磨處理是采用240-1000#砂紙打磨，保證一定的平整度及粗糙度。
[0010]本發明中的保證待焊材料的晶體取向一致，即保證待焊材料取向與連接面相垂直，并且兩待焊界面之間保持匹配關系，使得待焊材料晶體取向一致。
[0011]待焊件裝配，盡量保證待焊材料取向與連接面相垂直，并且兩待焊界面之間保持匹配關系，為了保證待焊材料晶體取向的一致性。
[0012]本發明中的含降熔元素的中間層，一般采用厚度在10~100 μπι之間的非晶態箔片材料，降熔元素為含有能和待焊材料元素反應并形成低熔點化合物的元素(B，Si，Hf, Zr),采用非晶箔片材料的目的是為了降低焊接溫度，減少焊接高溫對待焊材料本身性能的影響。
[0013]本發明中的所述的施加頂鍛力的時刻為待焊材料表面液化達到最大時，此時，中間液相成分達到均勻化，且等溫凝固尚未發生，能有效去除待焊表面不均勻層。此時，中間液相成分達到均勻化，且等溫凝固尚未發生，能有效去除待焊表面不均勻層。
[0014]本發明中的所述的頂鍛力，其大小在lMPa~50MPa之間，其施加方向保證垂直于接觸面。
[0015]本發明的優點是:(1)簡化固相焊接過程的表面清理過程。該方法利用過渡液相的形成過程，將接頭表面不均勻層液化，并在鍛壓力的作用下將液化層的擠出接頭區，達到接頭表面“清洗”的目的；(2)焊接溫度低，避免高溫對待焊材料性能的影響。該方法可通過調整中間層降熔元素的含量，改變焊接溫度；(3)焊接過程時間短，提高焊接效率，節省能源。該方法省去了過渡液相擴散焊的等溫凝固及均勻化熱處理過程，大幅縮短焊接時間；
(4)提高接頭高溫性能及可靠性。鍛壓過程將富含降熔元素的液化相擠出接頭區，降低了降熔元素在接頭區的殘留量，使得接頭的使用溫度提高；(5)減少氣孔及縮松等缺陷；(6)節約母材金屬、生產率高、成本低、無污染。過渡液相輔助固相焊接無需特殊的表面清理，可節約大量母材金屬；(7)中間層成本低，焊接過程中無弧光、磁場和射線。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的過渡液相輔助固相擴散焊工作原理示意圖一。
[0017]圖2為本發明的過渡液相輔助固相擴散焊工作原理示意圖二。
[0018]圖3為本發明的過渡液相輔助固相擴散焊工作原理示意圖三。
[0019]圖4為本發明的過渡液相輔助固相擴散焊工作原理示意圖四。
[0020]圖5為本發明的加熱曲線圖。
[0021]在圖中，圖1