BT5-1钛合金与C-103铌合金的真空电子束焊接工艺研究

作者:杨尚磊;楼松年;薛小怀;李仕民 刊名:热加工工艺 上传者:张昕

【摘要】基于BT5 1钛合金与C 103铌合金性能的分析和电子束焊接的特点,实现了 BT5 1 与 C 103 的电子束焊接。试验结果表明:选用合适的电子束焊接工艺规范连接的BT5 1与C 103的接头成形良好,没有产生裂纹等缺陷。占空比对焊接质量有重要影响。

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C103铌合金是美国TWCA公司开发的一种新型铌合金,焊接性能和成形性能优于其它铌合金,能够满足运转温度为1480的火箭发动机部件的需要,是航空航天推进系统的新一代合金。用C103铌合金制成的通讯卫星火箭助推器,由于重量降低、可靠性提高而使成本明显降低[1]。钛合金密度小,具有高的比强度,较好的热强性。BT51钛合金长时间工作温度可达723K,常用于航空航天领域的耐高温结构件。BT51钛合金与C103铌合金的电子束焊接在卫星、火箭、空间站等航空航天领域有重要意义。1试验设备和材料焊接设备有:EBW15型电子束焊机、工业控制计算机、远红外测温仪、自动控制工作台、冷却装置等。电子束焊接的试验材料为BT51钛合金和C103铌合金管材。BT51和C103的化学成分、力学性能和物理性质见表1、表2和表3。表1BT51和C103的化学成分(质量分数,%)TiNbAlSnHfZrBT51C103基0.76~1.09-基4.0~6.0-2.0~3.0--9.1~10.4-0.47~0.58表2BT51和C103的力学性能E/GPab/Mpa(退火态)0.2/Mpa(退火态)(%)(退火态)BT51C103115.7100.6785470.4686377.31035.6表3BT51和C103管材的物理性质原子半径晶体结构/10-10m熔点/K线膨胀系数/10-6K-1比热/Jg-1K-1BT51C1031.461.45hcp1155.5K<bcchcp194126238.58.730.5030.262真空电子束焊接工艺2.1焊接性分析BT51钛合金与C103铌合金可形成固溶体组织,不会产生脆性金属间化合物。BT51与C103两种合金的熔点差异大,热传导性能也有差别,两侧热输入相同时,会导致焊缝几何尺寸不对称。若焊接时按常规对称热输入,当电子束能量很大时,C103一侧熔合良好,但BT51熔化严重;当电子束能量较小时,尽管BT51熔合良好,但C103将会产生熔合不良,严重时会产生未熔合或未焊透。因此焊接时应减少钛合金一侧的能量输入,使电子束能量偏向熔点较高的铌合金,平衡两种合金热物理性能差别的影响,防止两种合金熔合不充分。2.2电子束焊接工艺BT51与C103的电子束焊接的接头型式见图1所示。焊前接头用丙酮清洗,去除油污等,组装后置入电子束焊机真空室。真空电子束焊接规范为:加速电压60kV,聚焦电流0.496A,焊接速度8.72mm/s,真空度0.0018Pa,C103铌合金的占空比D为0.9和0.7,电子束扫描幅值为1.0mm。焊接过程按束流加载曲线(图2)分三步完成:第一步使用小束流对焊缝进行预热,预热束流1~4mA;第二步采用大束流进行焊接,焊接束流10~20mA;第三步采用中等束流进行后处理,后处理束流5~10mA。电子束焊接过程结束,工件在真空室中随炉冷却到规定温度50。3结果与分析图3为D=0.9时的BT51与C103的电子束焊接接头形貌。可见,接头成形良好,焊缝几何尺寸对称,焊缝边缘熔合较好,过空比D分别为0.7和0.9时的焊缝形貌。由图4(a)可见,当BT51的电子束能量占30%、C103的电子束能量占70%时,钛侧的熔宽很大,但熔深较小,过量熔化的钛合金液态金属在电子束冲击力作用下涌向铌合金表面而快速冷却,形成焊瘤;铌合金一侧能量虽然达到70%,但仍不足以将铌合金熔透,从而在根部形成未焊透。由图4(b)可见,当BT51的电子束能量占10%时,钛侧的熔宽相对较小,但熔深很大,焊缝表面成形较好;C103的能量达到90%,从而使铌合金熔化充分,界面结合良好

参考文献

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