本發明涉及一種摩擦-擴散復合焊接方法，特別涉及一種TiAl合金渦輪與調質鋼軸的摩擦-擴散復合焊接方法。

背景技術：

TiAl合金，因其密度遠小于高溫合金，與鎳基高溫合金相比質量可減輕40％，而高溫比強度高于高溫合金，室溫韌性又高于陶瓷材料，加之其優異的高溫力學性能、抗氧化性和較好的環境抗力，因而被認為是可用于高推比航空發動機和火箭推進系統高溫部件的極具潛力的新型材料，特別適宜于發動機高溫隔熱、高溫運動部件，如高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片，以及廢氣渦輪增壓器中渦輪的制造。用TiAl合金代替鑄造鎳基高溫合金制作坦克與汽車發動機廢氣渦輪增壓器上的增壓渦輪，可使渦輪轉子減重50％以上，從而提高發動機的瞬態響應性，減小發動機的功率損失。因此，TiAl合金渦輪與調質鋼轉軸的連接技術成為迫切解決的關鍵技術。

文獻1“專利申請號是201110274101.4的中國發明專利”公開了一種鈦鋁合金渦輪與鋼軸的電阻釬焊焊接方法，該方法將釬料加入鋁渦輪與鋼軸中間，利用電阻熱使中間釬料熔化，然后施加頂鍛壓力，保持一段時間后將零件卸下并對零件進行去應力退火，得到渦輪與鋼軸的組合部件。該發明利用電阻熱進行加熱連接，雖然可以使整個端面溫度更均勻，焊縫強度較普通釬焊更高，但由于該方法使用釬料，在高溫情況下釬料可能會融化使焊接接頭的性能下降。

文獻2“專利申請號是201010178555.7的中國發明專利”公開了一種鈦鋁合金渦輪與調質鋼軸的摩擦焊接方法，該方法是在鈦鋁合金渦輪一側加工回轉體形狀的嵌入槽，焊接過程中渦輪軸的焊接端面與鈦鋁合金渦輪的嵌入槽焊接面摩擦，通過控制摩擦縮短量，使得渦輪軸側形成的飛邊填充滿嵌入槽。從而達到焊接面的冶金結合與機械連接的雙重效果，連接件接頭室溫拉伸強度有所提高。

技術實現要素：

為了克服現有摩擦-擴散復合焊接方法接頭抗拉強度低的不足，本發明提供一種TiAl合金渦輪與調質鋼軸的摩擦-擴散復合焊接方法。該方法首先利用摩擦焊接技術，進行TiAl合金渦輪與中間體材料焊接界面自清理、局部劇烈塑形變形，使兩側材料新鮮表面密切結合且不必施加大的頂鍛壓力，實現TiAl合金渦輪與中間體材料的初步焊接；其次利用擴散焊接過程中的壓力和高溫，合理調節焊接界面組織結構，減少脆性相，增加固溶相，使TiAl合金渦輪與中間體的摩擦焊接界面形成的非穩定組織通過擴散和再結晶穩定化，以提高接頭性能；最后對中間體和調質鋼軸進行摩擦焊接，從而實現對TiAl合金渦輪與調質鋼軸的有效連接，提高了TiAl合金渦輪與調質鋼軸的焊接強度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種TiAl合金渦輪與調質鋼軸的摩擦-擴散復合焊接方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、將TiAl合金渦輪、中間體的待焊接表面進行打磨，并用丙酮清理；

步驟二、將TiAl合金渦輪、中間體分別夾持在旋轉摩擦焊機的移動夾具和旋轉夾具上，使TiAl合金渦輪、中間體的軸心共線；

步驟三、摩擦焊機上的主軸電機通過主軸及旋轉夾具驅動中間體高速旋轉，施力油缸通過滑臺及移動夾具驅動TiAl合金渦輪逐漸靠近并壓在高速旋轉的中間體上，摩擦壓力為100～200MPa，摩擦時間為5～10s；旋轉夾具停止旋轉，施力油缸施加200～400MPa的頂鍛壓力，保壓4～6s，初步焊接完成；

步驟四、將摩擦焊接后的TiAl合金渦輪與中間體放入真空擴散焊機的真空室中；抽真空至真空度為1.0×10^-5～1.0×10^-2Pa；升溫至820～980℃并施加30～100MPa的壓力；在溫度為820～980℃及壓力為30～100MPa下，保溫保壓10～60min后卸載壓力并關閉加熱系統；擴散焊接完成后隨爐冷卻至室溫；

步驟五、將與TiAl合金渦輪焊接后的中間體多余部分切除；

步驟六、將中間體、調質鋼軸待焊接表面進行打磨，并用丙酮清理；

步驟七、將焊接有中間體的TiAl合金渦輪、調質鋼軸分別夾持在旋轉摩擦焊機的移動夾具和旋轉夾具上；

步驟八、摩擦焊機上的主軸電機通過主軸及旋轉夾具驅動調質鋼軸高速旋轉，施力油缸通過滑臺及移動夾具驅動TiAl合金渦輪及中間體逐漸靠近并壓在高速旋轉的調質鋼軸上，摩擦壓力為100～200MPa,摩擦時間為5～10s；旋轉夾具停止旋轉，施力油缸施加200～400MPa的頂鍛壓力，保壓4～6s；

步驟九、焊后緩冷并回火處理，加熱溫度至580～650℃，保溫時間為0.5～2h，焊接完成。

所述中間體的材料是高溫合金。

所述調質鋼軸材料是42CrMo、40Cr或35CrMo的任一種。

本發明的有益效果是：該方法首先利用摩擦焊接技術，進行TiAl合金渦輪與中間體材料焊接界面自清理、局部劇烈塑形變形，使兩側材料新鮮表面密切結合且不必施加大的頂鍛壓力，實現TiAl合金渦輪與中間體材料的初步焊接；其次利用擴散焊接過程中的壓力和高溫，合理調節焊接界面組織結構，減少脆性相，增加固溶相，使TiAl合金渦輪與中間體的摩擦焊接界面形成的非穩定組織通過擴散和再結晶穩定化，以提高接頭性能；最后對中間體和調質鋼軸進行摩擦焊接，從而實現對TiAl合金渦輪與調質鋼軸的有效連接，提高了TiAl合金渦輪與調質鋼軸的焊接強度。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明方法實施例1中TiAl合金渦輪與調質鋼軸的焊接結構示意圖。

圖2是本發明方法實施例2中TiAl合金渦輪與調質鋼軸的焊接結構示意圖。

圖中，1-TiAl合金渦輪，2-中間體，3-調質鋼軸。

具體實施方式

實施例1：參照圖1，本發明TiAl合金渦輪與調質鋼軸的摩擦-擴散復合焊接方法具體步驟如下：

步驟1.將TiAl合金渦輪1、中間體2的待焊接表面進行打磨，并用丙酮清理；

步驟2.將TiAl合金渦輪1、中間體2分別夾持在旋轉摩擦焊機的移動夾具和旋轉夾具上，使TiAl合金渦輪1、中間體2的軸心共線；

步驟3.摩擦焊機上的主軸電機通過主軸及旋轉夾具驅動中間體2高速旋轉，施力油缸通過滑臺及移動夾具驅動TiAl合金渦輪1逐漸靠近并壓在高速旋轉的中間體2上，摩擦壓力為150MPa，摩擦時間為7s；旋轉夾具停止旋轉，施力油缸施加300MPa的頂鍛壓力，保壓5s，初步焊接完成；

步驟4.將摩擦焊接后的TiAl合金渦輪1與中間體2放入真空擴散焊機的真空室中；抽真空至真空度為1.0×10^-3Pa；升溫至860℃并施加50MPa的壓力；在溫度為860℃及壓力為50MPa下，保溫保壓20min后卸載壓力并關閉加熱系統；擴散焊接完成后隨爐冷卻至室溫；

步驟5.將與TiAl合金渦輪1焊接后的中間體2多余部分切除，保留厚度3mm；

步驟6.將中間體2、調質鋼軸3待焊接表面進行打磨，并用丙酮清理；

步驟7.將焊接有中間體2的TiAl合金渦輪1、調質鋼軸3分別夾持在旋轉摩擦焊機的移動夾具和旋轉夾具上；

步驟8.摩擦焊機上的主軸電機通過主軸及旋轉夾具驅動調質鋼軸3高速旋轉，施力油缸通過滑臺及移動夾具驅動TiAl合金渦輪1及中間體2逐漸靠近并壓在高速旋轉的調質鋼軸3上，摩擦壓力為150MPa，摩擦時間為5s；旋轉夾具停止旋轉，施力油缸施加300MPa的頂鍛壓力，保壓5s；

步驟9.焊后緩冷并回火處理，加熱溫度至650℃，保溫時間為0.5h，焊接完成。

所述中間體2的材料是一種高溫合金。調質鋼軸材料是42CrMo、40Cr、35CrMo等。

實施例2：參照圖2，本發明TiAl合金渦輪與調質鋼軸的摩擦-擴散復合焊接方法具體步驟如下：

步驟1.將TiAl合金渦輪1、調質鋼軸3的待焊接表面進行打磨，并用丙酮清理；

步驟2.將TiAl合金渦輪1、調質鋼軸3分別夾持在旋轉摩擦焊機的移動夾具和旋轉夾具上，使TiAl合金渦輪1、調質鋼軸3的軸心共線；

步驟3.摩擦焊機上的主軸電機通過主軸及旋轉夾具驅動調質鋼軸3高速旋轉，施力油缸通過滑臺及移動夾具驅動TiAl合金渦輪1逐漸靠近并壓在高速旋轉的調質鋼軸3上，摩擦壓力為200MPa，摩擦時間為7s；旋轉夾具停止旋轉，施力油缸施加300MPa的頂鍛壓力，保壓5s，初步焊接完成；

步驟4.將摩擦焊接后的TiAl合金渦輪1與調質鋼軸3放入真空擴散焊機的真空室中；抽真空至真空度為1.0×10^-3Pa；升溫至600℃并施加50MPa的壓力；在溫度為600℃及壓力為50MPa下，保溫保壓20min后卸載壓力并關閉加熱系統；擴散焊接完成后隨爐冷卻至室溫，焊接完成。