CN113649720A

CN113649720A - 一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法

Info

Publication number: CN113649720A
Application number: CN202110818878.6A
Authority: CN
Inventors: 朱春雷; 刘烨; 静永娟; 何洪; 朱小平; 邵冲; 高仕山
Original assignee: Hebei Gangyan Dekai Technology Co ltd; China North Engine Research Institute Tianjin; AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: Hebei Gangyan Dekai Technology Co ltd; China North Engine Research Institute Tianjin; AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2021-11-16

Abstract

本发明公开一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，主要包括步骤：步骤一，将加工好的结构钢轴和镍基高温合金过渡体进行摩擦焊，然后进行退火处理；步骤二，将钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体的端部配合面设计为波纹状，在钛铝合金涡轮轴端部放置钎料，采用感应加热方式对镍基高温合金过渡体进行加热，将加热好的镍基高温合金过渡体向下压入装配好钎料的钛铝合金涡轮轴中；步骤三，将过盈装配的钛铝涡轮转轴，在真空钎焊炉中钎焊处理，通过钎料熔化后的扩散实现钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体端面的冶金结合。本发明增加了钛铝合金涡轮轴与过渡体端面的钎焊冶金结合强度，进而大幅提升了钛铝涡轮转轴的连接强度。

Description

一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法

技术领域

本发明涉及钛铝合金涡轮与钢轴连接技术领域，特别是涉及一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法。

背景技术

钛铝合金是一种新型轻质高温结构材料，将这种材料代替较重的镍基高温合金应用于车辆发动机增压器涡轮，可通过降低转动惯量而显著提高发动机的加速性响应性，且具有显著的节能减排效果。钛铝合金增压器涡轮的应用已被列为先进内燃机轻量化技术发展的必然趋势。为进行钛铝合金增压器涡轮的装配，需要将钛铝合金涡轮与结构钢轴(通常为40Cr或42CrMo钢)连接起来，而且考虑到增压器涡轮转轴是一种高速转动部件(转速高达5万rpm到20万rpm)，连接部位可靠性要求较高。

然而，由于钛铝合金属于一种脆性材料，且由于钛铝合金与结构钢的热物性参数差异较大，直接实现钛铝合金与结构钢的焊接难度极大。例如：专利ZL02133239.8报道一种通过钛/镍复合梯度扩散焊接工艺进行钛铝合金与钢之间的连接，但由于焊接接头界面生成了多种脆性相，例如TiC、FeC、Ti2AlC、Ti3AlC、TiNiC，这种接头较脆，接头强度稳定性差。如果采用这种连接方案进行钛铝涡轮与结构钢轴的直接连接，并不适用于高速转动部件。又如：专利CN200510010401.6报道一种通过内螺纹和钎焊工艺实现涡轮与结构钢轴的直接连接工艺；专利CN201310384372.4报道了螺纹+过盈配合的连接工艺。但考虑到钛铝合金属于脆性材料，螺纹加工过程中容易出现崩边等现象，且还需将螺纹进行过盈装配，这些含有螺纹结构的连接对加工的要求极为苛刻，因此，无法实现工业化应用。因此，目前尚无将钛铝合金涡轮与结构钢轴直接连接的有效技术。

为实现钛铝涡轮与结构钢轴的连接，多个专利报道了钛铝涡轮与结构钢轴的三体连接方案。此外，多个文献和专利报道了不同结构和形式的三体连接技术。例如：日本大同制钢株式会社开发了一种电子束焊+钎焊的三体连接工艺EP0837221A2，首先将钛铝涡轮与镍基高温合金套进行钎焊，之后再采用电子束焊接连接到结构钢轴上；日本将这种技术应用于民用汽车领域的钛铝合金增压器涡轮。这种工艺主要应用于尺寸较小的涡轮转轴(涡轮外径80mm以下)。再如：专利200810110548.6在钛铝涡轮与结构钢轴之间增加了镍基高温合金过渡体，首先通过摩擦焊将结构钢与镍基高温合金过渡体连接起来，加工之后再通过圆周面的过盈连接将镍基高温合金与钛铝涡轮连接起来。这种连接技术主要应用于转动惯量较小的中等尺寸涡轮转轴(涡轮外径90～140mm)，连接吨位能够满足轴系使用的要求。但这种技术应用于转动惯量较大的大尺寸涡轮转轴时，由于轴系结构限制了过盈配合的长度尺寸，使得连接吨位无法满足高转动惯量的应用需求。这就需要一种连接吨位更高、可靠性更高的连接技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，以解决上述现有技术存在的问题，增加了钛铝合金涡轮轴与过渡体端面的钎焊冶金结合强度，进而大幅提升了钛铝涡轮转轴的连接强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，包括如下步骤：

步骤一，将加工好的结构钢轴和镍基高温合金过渡体进行摩擦焊，将经摩擦焊后得到的摩擦焊组件进行退火处理；

步骤二，将钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体的端部配合面设计为波纹状，在钛铝合金涡轮轴端部放置钎料，采用感应加热方式对镍基高温合金过渡体进行加热，将加热好的镍基高温合金过渡体向下压入装配好钎料的钛铝合金涡轮轴中，待冷却后，即可完成钛铝合金涡轮轴的过盈连接；

步骤三，将过盈装配的钛铝涡轮转轴，在真空钎焊炉中进行900～960℃保温2-6小时的钎焊处理，通过钎料熔化后的扩散实现钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体端面的冶金结合。

可选的，步骤一中，摩擦焊组件退火处理时的温度为400～500℃，时间为2～4小时。

可选的，步骤二中，钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体在圆周面配合过盈量为0.10～0.30之间。

可选的，步骤二中，钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体的端部配合面为波纹状，波峰波谷差为0.20～0.50mm之间，波长为3.0～5.0mm之间。

可选的，钎料采用Ti-Zr-Cu-Ag或者Ti-Zr-Cu-Ni合金箔带钎料，钎料厚度为0.01～0.03mm之间。

可选的，步骤二中，感应加热时的加热温度在800℃～900℃之间，加热时间为60～120秒之间。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明在原有技术方案只钛铝合金涡轮轴与过渡体的圆周面产生过盈配合强度外，增加了钛铝合金涡轮轴与过渡体端面的钎焊冶金结合强度，进而大幅提升了钛铝涡轮转轴的连接强度。由于钎焊接头强度与钎焊面积呈正相关，这种方案尤其适用于轴径较大的大尺寸钛铝合金涡轮转轴。例如：对于外径160mm、过盈配合轴直径为φ37mm钛铝合金涡轮，采用这种复合连接方案后，室温拉伸最大失效载荷从200KN提高了280KN，提升幅度达到40％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接结构示意图；

图2为钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接结构局部放大示意图；

图3为钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体的钎焊界面形貌示意图；

其中，1为结构钢轴、2为镍基高温合金过渡体、3为钛铝合金涡轮轴、4为端部钎焊配合面、5为钛铝合金涡轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，主要操作步骤及控制要点如下：

步骤一，将加工好的结构钢轴1和镍基高温合金过渡体2进行摩擦焊，得到的摩擦焊组件进行退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间为2～4小时。

步骤二，按照图纸进行钛铝合金涡轮轴3、摩擦焊组件的机加工。

其中，钛铝合金涡轮5上的钛铝合金涡轮轴3与镍基高温合金过渡体2在圆周面配合过盈量选择为0.10～0.30。

钛铝合金涡轮轴3与镍基高温合金过渡体2的端部钎焊配合面4设计为波纹状，如图3所示，波峰波谷差H设计为0.20～0.50mm，波长L设计为3.0～5.0mm。采用这种波纹型界面结构，在相同涡轮轴直径条件下增大了钎焊面积，有利于提高钎焊接头强度。

步骤三，钎料的选择加放置

对于钎焊方案，钎料选择适用于钛铝合金的Ti-Zr-Cu-Ag或者Ti-Zr-Cu-Ni合金箔带钎料，钎料厚度0.01～0.03mm；将合格尺寸的钎料箔带放置在钛铝合金涡轮轴3端部。

步骤四，过盈连接

采用感应加热方式对镍基高温合金过渡体2进行加热，加热温度控制在800℃～900℃之间，加热时间60～120秒。将加热好的镍基高温合金过渡体2向下压入装配好钎料的钛铝合金涡轮轴3中，待冷却后，即可完成钛铝合金涡轮轴3的过盈连接，如图1和图2所示。

步骤五，钎焊

对于钎焊方案，将过盈装配的钛铝涡轮转轴3，在真空钎焊炉中在900～960℃保温2～6小时的钎焊处理，通过钎料熔化后的扩散实现钛铝合金涡轮轴3与镍基高温合金过渡体2端面的冶金结合，真空度≤0.1Pa。

本发明在原有三体过盈连接技术方案基础上，增加了钛铝合金涡轮轴3与镍基高温合金过渡体2的强结合力的端面连接措施，具体实现方案主要为钎焊。并且为便于端面连接，将原来的平端面结构优化为波纹结构或凹槽结构。采用这种复合连接结构，可大幅提高钛铝合金涡轮轴3与镍基高温合金过渡体2的连接吨位，以满足相对短配合长度涡轮转轴的高转动惯量、高连接吨位的使用需求。本发明提供的技术也可推广应用于连接吨位较高的中等尺寸的钛铝涡轮转轴。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤三，将过盈装配的钛铝涡轮转轴，在真空钎焊炉中进行900～960℃保温2～6小时的钎焊处理，通过钎料熔化后的扩散实现钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体端面的冶金结合。

2.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，其特征在于：步骤一中，摩擦焊组件退火处理时的温度为400～500℃，时间为2-4小时。

3.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，其特征在于：步骤二中，钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体在圆周面配合过盈量为0.10～0.30之间。

4.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，其特征在于：步骤二中，钛铝合金涡轮轴与镍基高温合金过渡体的端部配合面为波纹状，波峰波谷差为0.20～0.50mm之间，波长为3.0～5.0mm之间。

5.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，其特征在于：钎料采用Ti-Zr-Cu-Ag或者Ti-Zr-Cu-Ni合金箔带钎料，钎料厚度为0.01～0.03mm之间。

6.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与钢轴的复合连接方法，其特征在于：步骤二中，感应加热时的加热温度在800℃～900℃之间，加热时间为60～120秒之间。