CN102211249A - 一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一直钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，涡轮部件的钛铝合金涡轮与中间过渡轴、中间过渡轴与42CrMo钢轴分别以摩擦焊接方式结合；接触部位为凸台和凹槽结合，凸台和凹槽为轴向截面为等腰梯形，底边和斜边的夹角为30°~60°；顶边和底边的长度比为0.3~0.7，梯形的顶边构成的平面面积与轴的横截面面积比例为0.01~0.1。本发明通过增大焊接面的有效接触面积，切实提高了整个结构的结合强度，且工艺简单，可以批量生产；焊接后断裂全部在钛铝母材区域，可大大提高涡轮增压效率，增强发动机瞬时响应性，降低污染物排放。

Description

一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法

 

技术领域

本发明涉及一种，特别是一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法。

背景技术

目前国际上比较流行的用于汽车发动机、坦克发动机以及舰船发动机等的涡轮材料是K418，与钢轴的连接方法通常为摩擦焊接，但这种结构的缺点是涡轮整体质量大，导致发动机的瞬态响应性差。

钛铝合金除具有一般金属间化合物的优点外，还有密度低、抗氧化性好、导热率低、比强度高、比弹性模量高等特性，特别适合用于汽车发动机、坦克发动机以及舰船发动机等的涡轮增压器的涡轮端。但钛铝合金如何与钢轴连接是一个相当复杂的问题，目前已报道的连接方法包括钎焊和摩擦焊，钎焊焊接强度较摩擦焊要低，且工艺较复杂，生产效率较低。

在赵全忠2000年西北工业大学硕士论文“TiAl金属间化合物与结构钢摩擦焊接技术研究”中，作者试验了钛铝与42CrMo钢轴的直接摩擦焊接，结果显示，两种材质直接摩擦焊接可以获得一定强度的接头，但其强度极低，1m高度落差摔击即断，根本满足不了强度要求。

在CN 101844271 A的中国专利中，发明人公开了一种钛铝涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法，技术方案是在钛铝合金涡轮一侧加工回转体形状的嵌入槽，焊接过程中涡轮轴的焊接端面与钛铝合金涡轮的嵌入槽焊接面摩擦，通过控制摩擦缩短量，使得涡轮轴侧形成的飞边填充满嵌入槽。从而达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，连接件接头室温拉伸强度由背景技术的390MPa提高到480~537MPa 。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，经此摩擦焊接及加工方法后，焊缝结合牢固，焊接工艺稳定，根据此方法加工的零部件可以在800℃的高温环境下长时间工作。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，特征在于：整个涡轮部件结构由钛铝合金涡轮、中间过渡轴和42CrMo钢轴组成，钛铝合金涡轮与中间过渡轴、中间过渡轴与42CrMo钢轴分别以摩擦焊接方式结合，然后经过退火处理、机加工等工序得到涡轮部件产品；其中，摩擦焊接的接触部位设计为相结合凸台和凹槽相结合的形式，凸台和凹槽互相配合，而且凸台和凹槽为轴向截面为等腰梯形。这样的情况下，截面为等腰梯形凸台和凹槽构成一个圆台结构，可以进行360度旋转也方便进行摩擦焊接。

所述的凸台和凹槽的梯形截面中，梯形底边和斜边的夹角为30°~60°；顶边和底边的长度比为0.3~0.7。进一步的，梯形的顶边构成的平面面积与轴的横截面面积比例为：0.01~0.1。所述的轴包括中间过渡轴和42CrMo钢轴。

进一步具体的技术方案是：钛铝合金涡轮材质原子百分比为：Al：45~49%；Nb：1~5%；Cr：0.5~2.0%；Ni：0~0.6%；Si：0~0.8%；Ti：余量；其余为不可避免杂质。

进一步具体的技术方案还可以是：中间过渡轴的材质为镍基高温合金、铁基高温合金或铸造高温合金的任一种。

进一步具体的技术方案还可以是：钛铝材料与高温合金摩擦焊接工艺：转速700~900r/min，摩擦压力350~450MPa，摩擦时间5~10秒，顶锻压力500~680MPa，保压时间4~8秒；高温合金与钢轴的摩擦焊接工艺：摩擦压力410~430MPa，顶锻压力550~580MPa，摩擦时间为4~6秒，焊后保压5~7秒钟。

其中α角为摩擦焊接的接触部位凸台或者凹槽的梯形截面的底边与斜边的夹角，α角度为30°~70°，轴径15~35mm，尺寸为轴半径与凸台底半径的差，尺寸b为凸台高度，a=3~7mm，b=2~5mm，在此角度范围内，结合面积增大，优选的参数为α=60°，a=5mm，b=10mm。假设轴的直径为20mm，则两轴的摩擦接触面积由原先两轴直接对焊时的314mm²增加到约为373mm²以上，增幅19%以上，即相对于平面端面连接方法焊缝结合强度提高了19%，因此改进后焊缝连接牢固可靠，并且便于机加工，实现批量生产。

进一步具体的技术方案还可以是：焊接完成后退火处理的工艺为：退火温度550~800℃，保温时间1.5~3h，然后随炉冷却至室温。

所述的钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，具体工艺步骤为：

（1）钛铝涡轮、中间过渡轴、42CrMo钢轴按图纸机加工；包括加工摩擦焊接的接触部位的凸台和凹槽；

（2）中间过渡轴与42CrMo钢轴摩擦焊接；

（3）车加工除去多余的飞边；

（4）钛铝涡轮与中间过渡轴摩擦焊接；

（5）去应力退火；

（6）成品机加工。

经此工艺焊接的零件退火后进行拉伸测试，焊接面结合牢固，断裂位置均在钛铝合金母材区域。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

本专利通过使用上述方法，可以使得材料的结合部位的强度大于材料本体的强度，这样在进行拉伸等操作时，材料的断裂部位即发生在材料本体，完全达到了技术方案的目的。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明的一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，通过增大了焊接面的有效接触面积，切实提高了整个结构的结合强度，且工艺简单，可以批量生产。经此方法焊接后，可以保证试棒在拉伸过程中断裂不发生在焊缝区，全部断在钛铝母材区域。该方法加工得到的产品可以大大提高涡轮增压效率，增强发动机瞬时响应性，降低污染物排放，具有良好的前景。

附图说明

图1是涡轮为凸台结构，42CrMo钢轴为凹槽结构时摩擦焊接的接触部位示意图。

图2是涡轮凹槽结构，42CrMo钢轴均为凸台结构时摩擦焊接的接触部位示意图。

图中，1为钛铝涡轮，2为高温合金中间过渡轴，3为42CrMo钢轴，α为接触部位凸台或者凹槽的梯形截面的底边与斜边的夹角。

具体实施方式

实施例1：

钛铝合金采用Ti-46Al-4Nb-0.6Cr-0.2Ni-0.2Si（原子分数），钢轴为42CrMo钢轴，中间过渡轴材质为Inconel713高温合金。首先按照图纸1所示，将钛铝合金、Inconel713合金、42CrMo钢轴三者的结合面加工到位，α角度为30°，轴径20mm，凹槽尺寸为（4+11）×2mm，即凸台上下端面直径分别为4mm、11mm，高2mm，加工时，车床主轴转速选择200转/分，切削深度选择0.2mm。

Inconel713轴与42CrMo钢轴摩擦焊：将Inconel713轴与42CrMo钢轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：摩擦压力420MPa，顶锻压力580MPa，摩擦时间为5秒，焊后保压5秒钟，待工件冷却后车加工除去多余飞边。

钛铝合金与Inconel713轴摩擦焊接：将钛铝合金与Inconel713轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：转速720转/分，摩擦压力420MPa，顶锻压力510MPa，摩擦时间为6秒，焊后保压5秒钟。

将焊接好的部件放入真空炉进行退火处理，温度550℃，保温时间3h，随炉冷却至室温。

将退火后的结构件加工成拉伸试棒进行拉伸测试，抗拉强度380MPa，断裂部位为钛铝材质母材处。

实施例2

钛铝合金采用Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.4Si（原子分数），钢轴为42CrMo钢轴，中间过渡轴材质为GH1016高温合金。首先按照图纸1所示，将钛铝合金、GH1016合金、42CrMo钢轴三者的结合面加工到位，α角度为60°，轴径20mm，凹槽尺寸为（6+10）×3.5mm，即凸台上下端面直径分别为6mm、10mm，高3.5mm，加工时，车床主轴转速选择205转/分，切削深度选择0.3mm。

GH1016轴与42CrMo钢轴摩擦焊：将GH1016轴与42CrMo钢轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：摩擦压力450MPa，顶锻压力600MPa，摩擦时间为5秒，焊后保压6秒钟，待工件冷却后车加工除去多余飞边。

钛铝合金与GH1016轴摩擦焊接：将钛铝合金与GH1016轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：转速800转/分，摩擦压力380MPa，顶锻压力550MPa，摩擦时间为6秒，焊后保压5秒钟。

将焊接好的部件放入真空炉进行退火处理，温度700℃，保温时间2h，随炉冷却至室温。

将退火后的结构件加工成拉伸试棒进行拉伸测试，抗拉强度365MPa，断裂部位为钛铝材质母材处。

实施例3

钛铝合金采用Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.4Si（原子分数），钢轴为42CrMo钢轴，中间过渡轴材质为K403铸造高温合金。首先按照图纸1所示，将钛铝合金、K403合金、42CrMo钢轴三者的结合面加工到位，α角度为60°，轴径20mm，凹槽尺寸为（6+10）×3.5mm，即凸台上下端面直径分别为6mm、10mm，高3.5mm，加工时，车床主轴转速选择200转/分，切削深度选择0.1mm。

K403轴与42CrMo钢轴摩擦焊：将K403轴与42CrMo钢轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：摩擦压力450MPa，顶锻压力600MPa，摩擦时间为5秒，焊后保压6秒钟，待工件冷却后车加工除去多余飞边。

钛铝合金与K403轴摩擦焊接：将钛铝合金与K403轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：转速890转/分，摩擦压力445MPa，顶锻压力680MPa，摩擦时间为10秒，焊后保压8秒钟。

将焊接好的部件放入真空炉进行退火处理，温度780℃，保温时间1.5h，随炉冷却至室温。

将退火后的结构件加工成拉伸试棒进行拉伸测试，抗拉强度403MPa，断裂部位为钛铝材质母材处。

实施例4

钛铝合金采用Ti-48Al-2Nb-2Cr（原子分数），钢轴为42CrMo钢轴，中间过渡轴材质为Incoloy907变形高温合金。首先按照图纸1所示，将钛铝合金、Incoloy907合金、42CrMo钢轴三者的结合面加工到位，α角度为45°，轴径20mm，凹槽尺寸为（6+14）×4mm，加工时，车床主轴转速选择210转/分，切削深度选择0.1mm。

Incoloy907轴与42CrMo钢轴摩擦焊：将Incoloy907轴与42CrMo钢轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：摩擦压力450MPa，顶锻压力600MPa，摩擦时间为5秒，焊后保压6秒钟，待工件冷却后车加工除去多余飞边。

钛铝合金与Incoloy907轴摩擦焊接：将钛铝合金与Incoloy907轴分别装夹在C25型连续驱动摩擦焊机的主轴端和夹具端，焊接工艺参数为：转速700转/分，摩擦压力345MPa，顶锻压力580MPa，摩擦时间为8秒，焊后保压8秒钟。

将焊接好的部件放入真空炉进行退火处理，温度800℃，保温时间1.5h，随炉冷却至室温。

将退火后的结构件加工成拉伸试棒进行拉伸测试，抗拉强度410MPa，断裂部位为钛铝材质母材处。

Claims (6)

1.一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，其特征是于：整个涡轮部件结构由钛铝合金涡轮、中间过渡轴和42CrMo钢轴组成，钛铝合金涡轮与中间过渡轴、中间过渡轴与42CrMo钢轴分别以摩擦焊接方式结合，然后经过退火处理、机加工工序得到涡轮部件产品；其中，摩擦焊接的接触部位设计为相结合凸台和凹槽相结合的形式，凸台和凹槽互相配合，而且凸台和凹槽为轴向截面为等腰梯形；梯形底边和斜边的夹角为30°~60°；顶边和底边的长度比为0.3~0.7，梯形的顶边构成的平面面积与轴的横截面面积比例为：0.01~0.1。

2.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，其特征是：所述的钛铝合金涡轮材质原子百分比为：Al：45~49%；Nb：1~5%；Cr：0.5~2.0%；Ni：0~0.6%；Si：0~0.8%；Ti：余量；其余为不可避免杂质。

3.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，其特征是：所述的中间过渡轴的材质为镍基高温合金、铁基高温合金或铸造高温合金的任一种。

4.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，其特征是：所述的钛铝材料与高温合金摩擦焊接工艺：转速700~900r/min，摩擦压力350~450MPa，摩擦时间5~10秒，顶锻压力500~680MPa，保压时间4~8秒；高温合金与钢轴的摩擦焊接工艺：摩擦压力410~430MPa，顶锻压力550~580MPa，摩擦时间为4~6秒，焊后保压5~7秒钟。

5.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，其特征是：焊接完成后退火处理的工艺为：退火温度550~800℃，保温时间1.5~3h，然后随炉冷却至室温。

6.根据权利要求1-5任一项所述钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法，其特征是：连接方法具体工艺步骤为：

（1）钛铝涡轮、中间过渡轴、42CrMo钢轴按图纸机加工；包括加工摩擦焊接的接触部位的凸台和凹槽；

（2）中间过渡轴与42CrMo钢轴摩擦焊接；

（3）车加工除去多余的飞边；

（4）钛铝涡轮与中间过渡轴摩擦焊接；

（5）去应力退火；

（6）成品机加工。

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