TiAl和Ti3Al合金的扩散连接技术

1.Ti-Al合金扩散连接的特点

（1）直接扩散连接 工艺参数（温度、时间、压力等）对TiAl合金扩散连接接头的性能有很大影响。表4-13给出了直接扩散连接的工艺参数和接头性能。在Ti-48Al双相铸造合金的扩散连接过程中，随着加热温度、保温时间和压力的增加，扩散连接接头的抗拉强度逐渐增加。在1200℃、64min和15MPa压力条件下，得到了没有界面显微孔洞，界面结合良好的扩散连接接头，接头的室温抗拉强度达到225MPa。

表4-13 TiAl扩散连接的工艺参数、界面反应产物及接头抗拉强度

（续）

高温拉伸试验表明，接头在800～900℃高温下的抗拉强度有所下降，抗拉强度约180MPa，比母材降低约28%，如图4-23所示。

图4-23 不同温度下TiAl扩散连接接头的抗拉强度

扩散接合界面的显微组织对接头性能影响很大，一般情况下，扩散连接接头经过真空加热处理后，晶粒发生长大。例如，在1200℃、64min和10MPa条件下进行TiAl的扩散连接，然后将接头在1300℃、2h和1.3MPa条件下进行真空热处理。金相观察表明，晶粒直径由扩散连接态的65μm增加到约130μm，接头抗拉强度也有所下降。

利用超塑性扩散连接TiAl金属间化合物，可以大大降低扩散连接所需的温度和时间。对于Ti-47Al-Cr-Mn-Nb-Si-B合金，在加热温度为923～1100℃、压力为20～40MPa和真空度为4.5×10^-4Pa的条件下进行超塑性扩散连接，可以获得性能良好的扩散连接接头，拉伸试验断于母材基体。试验表明，TiAl金属间化合物晶粒尺寸在4μm以下、加热温度在880℃以上、变形率为10%时，容易实现TiAl的超塑性扩散连接。

（2）加中间层的扩散连接 为了提高TiAl扩散连接接头的性能，可采用加入中间过渡层的方法进行扩散连接。中间层可以是纯金属，也可以是含有活性元素或降低熔点元素的合金。表4-14给出TiAl扩散连接常用中间层及工艺参数。由表4-14可见，采用中间层可以使TiAl在相对低的温度和压力下进行扩散连接。此外，采用较低熔点的Ti-15Cu-15Ni作中间层，对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金进行了过渡液相连接，可以很好地改善界面接触，提高扩散连接接头的性能。

表4-14 TiAl扩散连接常用中间层及工艺参数

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TiAl金属间化合物显微组织对力学性能非常敏感，含有较多合金元素时，线胀系数较低，与异种材料连接时，易产生较大的应力。采用熔焊方法时接头成分复杂，极易生成脆性金属间化合物，热裂纹倾向严重。因此，TiAl金属间化合物异种材料的连接较多采用夹中间层的扩散连接。

2.Ti₃Al合金的扩散连接

Ti₃Al合金可采用扩散连接实现其连接。图4-24a所示是连接压力为9MPa、保温时间为30min条件下，连接温度对Ti₃Al合金扩散连接接头剪切强度的影响。在800～840℃的加热温度范围，接头的剪切强度较低而且变化缓慢；连接温度超过840℃时，扩散连接接头的剪切强度迅速提高，在940℃时达到751MPa。

图4-24 扩散连接温度和时间对Ti₃Al合金接头剪切强度的影响

a）连接温度的影响 b）保温时间的影响

图4-24b所示为连接温度为990℃、压力为12MPa条件下保温时间对Ti₃Al合金扩散连接接头剪切强度的影响。可见，随着保温时间从15min提高到30min，扩散连接接头的剪切强度迅速提高；当保温时间超过30min之后，接头剪切强度上升的速度变慢。当保温时间为70min时，接头的剪切强度接近于母材；保温时间继续增加时，由于晶粒粗化和长大，接头的剪切强度下降。

Ti₃Al合金扩散连接的加热温度通常在1000℃左右，所需的保温时间根据加热温度和压力而定。图4-25所示为Ti₃Al合金扩散连接温度与保温时间的关系曲线，可以看出，在压力不变的情况下，随着连接温度的升高可减少扩散连接的保温时间。图4-26所示为Ti₃Al合金扩散连接压力与保温时间的关系曲线，其连接温度为980℃。

图4-25 Ti₃Al扩散连接时间与温度的关系

图4-26 Ti₃Al扩散连接时间与压力的关系

图4-26中曲线的右上方为完全焊合区，左下方区间内的扩散连接参数不能获得完全焊合的接头。由图4-26中曲线可以看出，提高扩散连接压力能加速界面扩散，缩短扩散连接时间。但压力太大对扩散连接带来另外一些不利的影响，如变形等，因此在实际应用中应综合考虑工艺参数的合理配合，一般不采用压力很大的连接参数。