钛合金与铌合金的真空电子束焊接工艺研究

作者:胡振海;朱铭德;张建浩 刊名:航天工艺 上传者:刘霄

【摘要】针对某航天双元发动机推力室的焊接问题,研究了钛合金与铌合金的真空电子束焊接技术,总结了一套工艺规范。并通过金相分析、力学性能试验、产品强度气密测试及发动机热试车,证明通过该技术可以获得满足设计要求的焊接接头。

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1引言在某航天产品的几种双元发动机中,推力室头部与身部采用了钛合金7715D与铌合金C-103的对接焊接结构。焊缝熔深要求从2.14.7mm不等,焊接熔深精度要求控制在(0.3mm以内,接头抗拉强度要求达到母材强度。并保证焊缝密封性能,承受10MPa的压力。焊接接头结构简化形式如图1所示。产品尺寸mm(a(b(cdLl1BA21.61882.22.346402B3329182.22.346402C10193674.34.436302图1简化焊接结构示意图2材料焊接性能分析铌的熔点为2465,熔点高,属于难熔金属,热传导性能不好,可焊接性较好,但强度较低。合金化后,铌合金相对纯铌可焊性变差,适宜采用电子束焊接。铌合金大多数焊接接头有效率可保持在75%左右。采用真空电子束焊接可很好地进行保护,焊接能量集中,输入热量少,焊缝较窄,可以获得很好的焊接质量。焊后可在真空室内进行消除应力热处理来恢复延性和韧性。[1]工业纯钛的熔点为1672,比重小,具有很高的化学活性,属于活泼轻金属。钛及钛合金的可焊性好,但化学性能很活泼,在400就吸收有害气体氮,氢,氧,使机械性能下降。采用真空电子束焊接时,由于热源集中,焊接速度快,又在真空中进行,有害气体极少,可避免杂质气体的污染,可减低焊缝金属的脆变程度。铌合金与钛合金具有相同的Ti、Nb、Zr等元素,冶金性能比较接近,不会产生脆性金属间相,可形成有限固溶体,理论上可焊性较好(钛合金7715D和铌合金C-103的化学成分见表1、表2)。但是,两种合金熔点相差较大,热传导性能也有差别,焊接时应使铌合金一边能量输入大一些,在一定程度上可以平衡热物理性能差别的影响,防止两种金属熔合不充分。另外,两种合金的化学性能均很活泼,容易产生气孔,应采取预防措施。同时,采用电子束焊,焊接速度较快,铌合金与钛合金在液态的流动性能不同,使焊接表面成型较差,容易产生咬边缺陷。表1钛合金7715D的化学成分(协议)化学成分重量%TiAlSnZrMoNbSiCeFeCNHO杂质余量5.87.02.63.81.62.61.52.51.72.70.150.300.010.080.200.100.050.0150.2表2铌合金C-103的化学成分(GJB958-90)主要成分重量%间隙杂质PPmTiZrHfWTaNbCNHO0.81.00.79.210.10.50.5余量15012020200铌合金与钛合金力学性能相差较大,钛合金的强度较高,铌合金较低。具体数据见表3、表4。焊缝强度按设计要求应超过铌合金的强度。表3钛合金7715D的力学性能实验温度抗拉强度bMPa屈服强度0.2MPa延伸率%断面收缩率%冲击值KJ/cm2布氏硬度HBS5/780/30mm室温11651020102025250-40-105081820280600782.565015---表4铌合金C-103的室温机械性能状态抗拉强度bMPa屈服强度SMPa延伸率%断面收缩率%弯曲角1200锻造470.4377.335.679.0-1180,1小时退火465.5352.820.5--技术条件Q/BS338-8039229425-1203焊接设备与工艺规范3.1真空电子束焊接设备设备型号:BOCAMK15GN100KMCNC。其主要性能参数如下:加速电压:max.60kV;额定功率:15kW;最大束流:max.250mA;工作距离:max.300mm;静态偏转角:max.3;动态偏转角:max.2。3.2主要工艺规范3.2.1清洗为防止产生气孔与夹渣缺陷,被焊接零件应严格进行酸洗处理,

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