一種Ti₂AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法

2023-05-27 16:26:26 2

專利名稱：一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法
技術領域：
本發明涉及焊接工藝技術領域，具體涉及一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件 的擴散焊工藝方法。
背景技術：
在產品加工製造過程中，對不同部件進行焊接是常見的保證強度及設計結構的一 種工藝方法。對於大多數材料，都可通過熔化焊技術完成焊接。如圖1所示，為某型航天發 動機燃燒室的重要承力結構件的結構示意圖，由於該結構件尺寸較大，採用Ti2AlNb合金加 工而成，不適於採用傳統的方法加工，因此在實際工程實現上，通常考慮將該結構件分成幾 個部分，將各部分加工成型後焊接而成，在產品加工製造過程中，對不同部件進行焊接是常 見的保證強度及設計結構的一種工藝方法。對於大多數材料，都可通過熔化焊技術完成焊 接。Ti2AlNb金屬間化合物具有較高的比強度、室溫塑性、斷裂韌性和蠕變抗力以及較好的 抗氧化性、無磁性等優點，但其顯微組織和力學性能對焊接加工具有敏感性，對焊接過程加 熱和冷卻速度要求嚴格，焊接參數範圍比較窄，焊縫及熱影響區的組織複雜，如果採用傳統 的熔化焊技術容易出現裂紋和氣孔等缺陷。尤其針對Ti2AlNb金屬間化合物大尺寸結構件， 目前缺乏相關工程經驗，導致結構件焊縫質量不達標，難以正常使用。發明內容
有鑑於此，本發明提供了一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方 法，能夠實現對大尺寸Ti2AlNb合金材料的發動機燃燒室加工和擴散焊接。
本發明的一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，包括如下步 驟
步驟1、根據發動機燃燒室結構件的外形結構和尺寸，選用圓柱狀的Ti2AlNb合金 材料的第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)作為加工燃燒室結構件的原材 料；再根據發動機燃燒室結構件的內腔結構和尺寸，對第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和 第三毛坯件(3)分別進行挖空處理，使挖空後的第一毛坯件(I )、第二毛坯件(2)和第三毛 坯件(3)從上到下依次疊放後形成具有初步結構和形狀的燃燒室結構件；
步驟2、在第二毛坯件(2)的上端面和下端面分別加工一個圓形凸臺，兩個圓形凸 臺的外徑分別與第一毛坯件和第二毛坯件的外徑一致；分別在第一毛坯件(I)的下端面、 第二毛坯件(2)的兩個圓形凸臺上和第三毛坯件(3)的上端面加工大小一致的同軸圓環形 的凸臺，凸臺的高度為O. 2mm-0. 8mm ；
步驟3、分別對組成燃燒室結構件的第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯 件(3)之間的連接面進行拋光處理，保證每個連接面的粗糙度在RaO. 8以下；然後再對每個 連接面進行酸化處理，其中採用的酸洗配方中溶液的體積比為HN03:HF:H20=6:1:12 ；
步驟4、對燃燒室結構件進行定位工裝，具體方法為
將第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)從上到下依次同軸疊放，組成燃燒室結構件；採用兩個鈦合金材料加工的定位環(4)分別套裝在第一毛坯件(I)和第 二毛坯件(2)連接處的外圓上以及第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)連接處的外圓上；
採用包括承力柱(6)、支撐柱(7)和承力平臺(5)的承力結構作為燃燒室結構件的 支撐平臺，其中呈圓環形的支撐柱(7)置於承力平臺(5)上；承力柱(6)與支撐柱(7)同軸置 於支撐柱(7)的圓環內，將固定好的燃燒室結構件置於承力平臺(5)上，使支撐柱(7)處於 第二毛坯件(2)下端面下方，且兩者間隙大小與燃燒室結構件經擴散焊後的壓縮量一致； 使承力柱(6)處於燃燒室結構件的空腔中，保證承力柱(6)的上端面低於第一毛坯件(I)的 上端面的距離大小與燃燒室結構件經擴散焊後的壓縮量一致；
所述承力柱(6)和支撐柱(7)均由石墨材料加工而成；
步驟5、將承力平臺(5)和其上的燃燒室結構件放置於擴散焊爐中，對第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2 )和第三毛坯件(3 )進行擴散焊接，具體方法為
在擴散焊爐的真空度保持4X10_5Pa條件下，將擴散焊爐內的溫度升至350°C，並 保溫60分鐘；繼續升溫至800°C，並保溫180分鐘後，繼續升溫，當溫度達到900°C時，對 第一毛坯件(I)的上端面施加20Mpa的垂直作用力並保持；將擴散焊爐的真空度提高到 7 X 10_5Pa並保持，繼續升溫至980°C，保溫240分鐘；控制擴散焊爐停機，使燃燒室結構件隨 擴散焊爐自然降溫降壓。
所述支撐柱(7)與第二毛坯件(2)下端面之間的間隙大小為2_-4_。
所述承力柱(6)的上端面低於第一毛坯件(I)的上端面的距離大小為2mm-4mm。
在所述第二毛坯件(2)與第三毛坯件(3)連接處的外圓上，加工一個環形凹槽，所 述凹槽深度能卡住定位環(4)。
本發明具有如下有益效果
I)本發明公開的擴散焊方法成功地解決了大尺寸Ti2AlNb材料結構的焊接問題， 對大尺寸結構難焊接材料提供了更廣闊的解決途徑；
2)通過採用兩個定位環，對第一毛坯件和第二毛坯件以及第二毛坯件和第三毛坯 件的連接面進行定位，可有效避免在對結構件焊接過程中出現對接不精確的問題；
3)通過在3個毛坯件的連接面上加工凸臺，避免使燃燒室結構件在焊接過程中因 強大壓力產生較大塌陷，從而影響燃燒室結構件形狀；此外，加工凸臺還能提高焊接強度；
4)通過在結構件中心設置承力柱和第二毛坯件的下端面邊緣設置支撐柱，可避免 因擴散焊時對第一毛坯件上端面的較大壓強而導致結構件坍塌的可能；同時，支撐柱低於 第一毛坯件上端面，當結構件因壓力被壓縮後，壓力仍能作用在結構件上。


圖1為現有技術中某型太空飛行器發動機燃燒室用於支撐的結構件的結構示意圖。
圖2(a)為加工該燃燒室結構件的3個毛坯件的結構示意圖，圖2 (b)為按照燃燒 室的尺寸要求對3個毛坯件進行挖空處理後的結構示意圖。
圖3(a)為第一毛坯件的結構示意圖，其中的局部放大3(b)顯示的第一毛坯 件下端面上加工的凸臺。
圖4(a)為第二毛坯件的結構示意圖，其中的兩個局部放大4(b)和圖4(c)分 別顯示的第二毛坯件上、下端面上加工的圓形凸臺和圓環形的凸臺。
圖5(a)為第三毛坯件的結構示意圖，其中的局部放大5 (b)顯示的第三毛坯 件上端面上加工的凸臺。
圖6為由3個毛坯件疊放形成的燃燒室結構件的示意圖。
圖7為對進行定位工裝的燃燒室結構件放入擴散焊爐後的示意圖。
圖8為對燃燒室結構件的擴散焊接的控制過程圖。
其中，1-第一毛坯件，2-第二毛坯件，3-第三毛坯件，4-定位環，5-承力平臺， 6_承力柱，7-支撐柱。
具體實施方式
下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
本發明提供了一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，包括如 下步驟
步驟1、如圖2 (a)和(b)所示，根據發動機燃燒室結構件的外形結構和尺寸，選用 圓柱狀的Ti2AlNb合金材料的第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3作為加工燃燒室 結構件的原材料，再根據發動機燃燒室結構件的內腔結構和尺寸，對第一毛坯件1、第二毛 坯件2和第三毛坯件3分別進行挖空處理，使挖空後的第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三 毛坯件3從上到下依次疊放後形成具有初步結構形狀的燃燒室結構件；
步驟2、如圖3、4和5所示，在第二毛坯件2的上端面和下端面分別加工一個圓形 凸臺，兩個圓形凸臺的外徑分別與第一毛坯件I和第二毛坯件2的外徑一致；分別在第一毛 坯件I的下端面、第二毛坯件2的兩個圓形凸臺上和第三毛坯件3的上端面加工大小一致 的同軸圓環形的凸臺，凸臺的高度為O. 2mm-0. 8mm ；
步驟3、分別對形成燃燒室結構件的第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3 之間的連接面進行拋光處理，保證每個連接面的粗糙度在RaO. 8以下；然後再對每個連接 面進行酸化處理，其中採用的酸洗配方中溶液的體積比為HN03:HF:H20=6:1:12 ；
步驟4、對燃燒室結構件進行定位工裝，具體方法為
如圖6所示，將第一毛坯件1、第二毛坯件2和第三毛坯件3從上到下依次同軸疊 放，組成燃燒室結構件；
如圖7所示，為了使三個毛坯件在對齊疊放並保持一定對齊精度，採用兩個鈦合 金材料加工的定位環4套裝在第一毛坯件I和第二毛坯件2連接處的外圓上以及第二毛 坯件2和第三毛坯件3連接處的外圓上，定位環4的寬度要保證覆蓋住連接面上的凸臺外 圓與毛坯件外圓之間形成的圓環槽；
採用包括承力柱6、支撐柱7和承力平臺5的承力結構作為燃燒室結構件的支撐 平臺，其中呈圓環形的支撐柱7置於承力平臺5上方；承力柱6與支撐柱7同軸置於支撐 柱7的圓環內，將固定好的燃燒室結構件置於承力平臺5上，使支撐柱7處於第二毛坯件2 下端面下方，在擴散焊接過程中，燃燒室結構件會有一定程度的塌陷，支撐柱7對第二毛坯 件2靠近外側的下端面進行支撐，防止地二毛坯件2變形，因此第二毛坯件2下端面與支撐 柱7之間的間隙大小與燃燒室結構件經擴散焊後的壓縮量一致，經過計算結合經驗，取值 為2_-4_ ;使採用承力柱6處於燃燒室結構件的空腔中，當壓力作用在第一毛坯件I後， 燃燒室結構件在壓力和溫度作用下逐漸壓縮，最終第一毛坯件I的上端面與承力柱6齊平，壓力作用在承力柱6上，不再對燃燒室結構件進行擠壓。為使承力柱6的高度合適，保證承 力柱6的上端面低於第一毛坯件I的上端面的距離大小與燃燒室結構件經擴散焊後的壓縮 量一致,經過計算結合經驗,取值為2mm-4_ ；
承力柱6和支撐柱7均由石墨材料加工而成；
步驟5、將承力平臺5和其上的燃燒室結構件放置於擴散焊爐中，對第一毛坯件1、 第二毛坯件2和第三毛坯件3進行擴散焊接，具體方法為
如圖8所示，在擴散焊爐的真空度保持4X KT5Pa條件下，將擴散焊爐內的溫度升 至350°C，並保溫60分鐘；繼續升溫至800°C，並保溫180分鐘後，繼續升溫，當溫度達到 900°C時，對第一毛坯件I的上端面施加20Mpa的垂直作用力，並保持；將擴散焊爐的真空度 提高到7X 10_5Pa並保持，繼續升溫至980°C，保溫240分鐘；控制擴散焊爐停機，使燃燒室 結構件隨擴散焊爐自然降溫降壓。
上述過程中，在大壓力和高溫作用下，3個毛坯件的Ti2AlNb合金材料處於超塑料 狀態，則連接面上凸臺中的原子互相擴散，則兩個凸臺互相進入，最後完全進入對方，則凸 臺周圍的連接面開始進入，並進入一定距離，由此將毛坯件的連接面焊接在一起。加工凸臺 的好處有兩個，一是避免使燃燒室結構件在焊接過程中因強大壓力產生較大塌陷，影響燃 燒室結構件形狀；二是由於凸臺先擴散連接，後連接面擴散連接，凸臺互相進入量比不加工 凸臺的進入量要大，因此可提高焊接強度。
為了防止固定第二毛坯件2和第三毛坯件3的定位環4向下滑落，在第二毛坯件 2與第三毛坯件3連接處的外圓上，加工一個環形凹槽，可將定位環4卡住。為了保證定位 環4覆蓋連接處的第二毛坯件2與第三毛坯件3的外圓，該環形凹槽也應該延伸至第二毛 坯件2與第三毛坯件3的外圓。
擴散焊接後的燃燒室結構件再經過精加工後即得到工程需要的發動機的燃燒室 結構件。
綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護範圍之內。
權利要求
1.一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟1、根據發動機燃燒室結構件的外形結構和尺寸，選用圓柱狀的Ti2AlNb合金材料的第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)作為加工燃燒室結構件的原材料；再根據發動機燃燒室結構件的內腔結構和尺寸，對第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3 )分別進行挖空處理，使挖空後的第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2 )和第三毛坯件(3 )從上到下依次疊放後形成具有初步結構和形狀的燃燒室結構件； 步驟2、在第二毛坯件(2)的上端面和下端面分別加工一個圓形凸臺，兩個圓形凸臺的外徑分別與第一毛坯件和第二毛坯件的外徑一致；分別在第一毛坯件(I)的下端面、第二毛坯件(2)的兩個圓形凸臺上和第三毛坯件(3)的上端面加工大小一致的同軸圓環形的凸臺，凸臺的高度為0. 2mm-0. 8mm ； 步驟3、分別對組成燃燒室結構件的第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2 )和第三毛坯件(3 )之間的連接面進行拋光處理，保證每個連接面的粗糙度在RaO. 8以下；然後再對每個連接面進行酸化處理，其中採用的酸洗配方中溶液的體積比為HN03:HF:H20=6:1:12 ； 步驟4、對燃燒室結構件進行定位工裝，具體方法為 將第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)從上到下依次同軸疊放，組成燃燒室結構件；採用兩個鈦合金材料加工的定位環(4)分別套裝在第一毛坯件(I)和第二毛坯件(2)連接處的外圓上以及第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)連接處的外圓上； 採用包括承力柱(6)、支撐柱(7)和承力平臺(5)的承力結構作為燃燒室結構件的支撐平臺，其中呈圓環形的支撐柱(7)置於承力平臺(5)上；承力柱(6)與支撐柱(7)同軸置於支撐柱(7)的圓環內，將固定好的燃燒室結構件置於承力平臺(5)上，使支撐柱(7)處於第二毛坯件(2)下端面下方，且兩者間隙大小與燃燒室結構件經擴散焊後的壓縮量一致；使承力柱(6)處於燃燒室結構件的空腔中，保證承力柱(6)的上端面低於第一毛坯件(I)的上端面的距離大小與燃燒室結構件經擴散焊後的壓縮量一致； 所述承力柱(6)和支撐柱(7)均由石墨材料加工而成； 步驟5、將承力平臺(5)和其上的燃燒室結構件放置於擴散焊爐中，對第一毛坯件(I)、第二毛坯件(2)和第三毛坯件(3)進行擴散焊接，具體方法為 在擴散焊爐的真空度保持4X 10_5Pa條件下，將擴散焊爐內的溫度升至350°C，並保溫60分鐘；繼續升溫至800°C，並保溫180分鐘後，繼續升溫，當溫度達到900°C時，對第一毛坯件(I)的上端面施加20Mpa的垂直作用力並保持；將擴散焊爐的真空度提高到7X 10_5Pa並保持，繼續升溫至980°C，保溫240分鐘；控制擴散焊爐停機，使燃燒室結構件隨擴散焊爐自然降溫降壓。
2.如權利要求1所述的一種Ti2ALNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，其特徵在於，所述支撐柱(7)與第二毛坯件(2)下端面之間的間隙大小為2mm-4mm。
3.如權利要求1所述的一種Ti2ALNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，其特徵在於，承力柱(6)的上端面低於第一毛坯件(I)的上端面的距離大小為2mm-4mm。
4.如權利要求1所述的一種Ti2ALNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，其特徵在於，在第二毛坯件(2)與第三毛坯件(3)連接處的外圓上，加工一個環形凹槽，所述凹槽深度能卡住定位環(4)。
全文摘要
本發明公開了一種Ti2AlNb合金材料的燃燒室結構件的擴散焊工藝方法，該擴散焊方法成功地解決了大尺寸Ti2AlNb材料結構的焊接問題，對大尺寸結構難焊接材料提供了更廣闊的解決途徑；該方法採用兩個定位環，對第一毛坯件和第二毛坯件以及第二毛坯件和第三毛坯件的連接面進行定位，可有效避免在對結構件焊接過程中出現對接不精確的問題；通過在3個毛坯件的連接面上加工凸臺，避免使燃燒室結構件在焊接過程中因強大壓力產生較大塌陷，從而影響燃燒室結構件形狀；此外，加工凸臺還能提高焊接強度；通過在結構件中心設置承力柱和第二毛坯件的下端面邊緣設置支撐柱，可避免因擴散焊時對第一毛坯件上端面的較大壓強而導致結構件坍塌的可能。
文檔編號B23K20/02GK102990219SQ20121045827
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者周愷, 盧玉紅, 楊建國, 孫科文, 王亞軍 申請人:北京動力機械研究所