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CN111843288B - 一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料 - Google Patents

一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高熔点Ti‑Zr‑Cu‑Ni合金钎焊料，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％～30％，Ni 21％～25％，Zr 1％～5％，余量为Cu和不可避免的，该钎焊料的熔点为920℃～1100℃。本发明通过控制高熔点Ti‑Zr‑Cu‑Ni合金钎焊料中各元素的含量，使高熔点Ti‑Zr‑Cu‑Ni合金钎焊料具有合适的熔点，使该钎焊料在钛，钛合金，不锈钢，高温合金和陶瓷等基材上具有优异的润湿性能，保证了在钎焊中，钎焊料能够充分铺展，并且不会流失，能够用于钛合金与不锈钢或高温合金钎焊，陶瓷与金属钎焊等领域，进行焊接后的焊接界面的高温力学性能高于低熔点的钎焊料。

Description

一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料
技术领域
本发明属于钎焊料技术领域，具体涉及一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料。
背景技术
随着钎焊技术的发展，Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料已广泛应用于航空、航天、石油、交通、核工业等领域的钛与钛合金钎焊，特别是航空航天领域的蜂窝夹层结构，主要用于飞机机翼、机身、地板、发动机机舱、飞行器热防护结构等部位，可以有效减轻飞机结构重量，提高其机动性、灵活性，有效保护飞行器并增加其重复使用率。
目前，常用的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的熔化温度为750℃～830℃，钎焊温度为800℃～880℃。
此外，Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料还可以用在钛合金与其他金属(不锈钢、高温合金)的复合构件钎焊，非金属与金属的钎焊，如立方氮化硼(C-BN)与金属钎焊，应用市场前景广阔，随着Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的应用推广，对具有高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的需求日益增加，因此，人们需要一种具有高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料。该钎焊料的熔点为920℃～1100℃，该钎焊料在钛，钛合金，不锈钢，高温合金和陶瓷等基材上具有优异的润湿性能，能够应用于钛与钛合金钎焊，钛合金与不锈钢或高温合金钎焊，陶瓷与金属的钎焊等领域，焊接后的焊接界面的高温力学性能高于低熔点的钎焊料。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，该钎焊料为含有Ni元素、Zr元素和Ti元素的Cu基钎焊料，其特征在于，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％～30％，Ni 21％～25％，Zr 1％～5％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述钎焊料的熔点为920℃～1100℃。
本发明的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料为含有Ni元素、活性元素Zr和活性元素Ti的Cu基钎焊料，组分中的Ni元素具有良好的延展性，耐蚀性和高温力学性能，Cu具有优良的导热性、耐蚀性和延展性，Ti和Zr都属于活性元素，可与绝大多数金属和陶瓷材料发生浸润，适用于航空发动机蜂窝状结构组件钛与钛合金、钛合金与不锈钢、高温合金与陶瓷或金属等的钎焊；高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料中Cu和Ni形成无限固溶体减少了焊接的应力，提高了焊接界面的塑性和强度，Zr与Cu、Ni形成共晶，降低了合金钎焊料的熔点，Zr与Ti形成固溶体组织，进一步提高了钎焊料在钛合金基体上的浸润性和漫流性能，同时也进一步增强了焊接界面的结合强度，提高了焊接界面的性能，Zr和Ti无限固溶，不会产生脆性相，在不降低合金钎焊料塑性的情况下显著提高合金钎焊料的强度，在钎焊时通过化学反应可以形成反应层，具有较高的金属润湿性能；本发明的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料中，Ni的比例过低会降低钎焊料的强度和高温力学性能，Ti是活性金属，比例过低会影响与母材的浸润效果，Zr具有强力降熔点的作用，比例过高会大幅降低熔点，比例过低会降低钎焊料的浸润性能，Ti和Ni不能固溶，加入比例过多会形成脆性化合物，影响焊接性能；本发明通过控制该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％～30％，Ni 21％～25％，Zr 1％～5％，余量为Cu和不可避免的杂质，控制钎焊料的熔点为920℃～1100℃，使高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料具有合适的熔点，保证了在钎焊中，钎焊料能够充分铺展，并且不会流失，从而保证了进行焊接后的焊接界面的高温力学性能高于低熔点的钎焊料，避免了钎焊料熔点过高，钎焊料的浸润性能下降，在焊接时钎焊料流动性降低，铺展不充分，焊接界面的高温力学性能较差的不足，同时高熔点母材通常使用高熔点钎焊料的焊接效果更好，高熔点母材如果使用低熔点钎焊料，钎焊温度过低会达不到足够的热力学活性，钎焊料与母材浸润不够，影响焊接效果。
上述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％～28％，Ni 21％～23％，Zr 1％～3％，余量为Cu和不可避免的杂质。
上述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％，Ni 21％，Zr 1％，余量为Cu和不可避免的杂质。
上述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，所述高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料在氩气保护下或真空条件下实施钎焊，钎焊的温度为950℃～1200℃。一般情况下钎焊温度高于合金钎焊料熔点的30℃～100℃，保证了钎焊料的充分熔化及完全铺展，使焊接界面具有最佳的高温力学性能；本发明的合金钎焊料中Ti和Zr都和氧强烈反应，在钎焊时需要在氩气保护或真空条件下钎焊，如果钎焊温度过高会使钎焊料过度流散或挥发，也难以达到好的焊接效果。
上述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，所述高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料为钎焊粉末、钎焊焊膏或钎焊粘带。本发明的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料是脆性材料，难以加工成型，因此多制成钎焊粉末、钎焊焊膏或钎焊粘带，对于平整的焊接界面可用由Ti-Zr-Cu-Ni钎焊粉末直接钎焊，对于异形面、曲面的焊接面可用Ti-Zr-Cu-Ni钎焊焊膏或钎焊粘带进行焊接，扩大了本发明Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的应用范围。
本发明高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备过程为：将海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆清洗后烘干，然后按照设计成分配料并放入真空感应熔炼炉内进行两次真空感应熔炼，得到合金铸锭，再将合金铸锭进行制粉处理，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过控制高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料中各元素的含量，提高了Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的熔点，解决了传统Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料熔点过低的不足，使高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的适用范围更为广泛；该钎焊料在钛、钛合金、不锈钢、高温合金和陶瓷等基材上具有优异的润湿性能，可用于钛与钛合金钎焊，钛合金与不锈钢或高温合金钎焊，陶瓷与金属的钎焊等领域，进行焊接后的焊接界面的高温力学性能高于低熔点的钎焊料。
2、本发明通过Cu和Ni形成无限固溶体减少了焊接的应力，提高了焊接界面的塑性和强度，通过Zr与Cu、Ni形成共晶，降低了合金钎焊料的熔点，通过Zr与Ti形成固溶体组织，进一步提高了钎焊料在钛合金基体上的浸润性和漫流性能，同时也进一步增强了焊接界面的结合强度，提高焊接接头性能，通过Zr和Ti无限固溶，不会产生脆性相，在不降低合金钎焊料塑性的情况下显著提高合金钎焊料的强度。
3、本发明通过控制高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料中各元素的含量，尤其是控制Zr的含量，使高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料得熔点为920℃～1100℃，使高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料在钎焊时具有优异的流动性，能够铺展充分，提高了焊接界面的高温力学性能，保证了进行焊接后的焊接界面的高温力学性能高于低熔点的钎焊料，同时避免了钎焊料熔点过高，钎焊料的浸润性能下降，在焊接时钎焊料流动性降低，铺展不充分，焊接界面的高温力学性能较差的不足。
4、本发明的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料为钎焊粉末、钎焊焊膏或钎焊粘带，适用于各种焊接面进行焊接，扩大了高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的应用范围。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti26％，Ni 21％，Zr 1％，Cu 52％。
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为2.5×10-2Pa，熔炼功率为20kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭采用真空气雾化制粉，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末。
经检测，本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末的熔点为1049℃～1100℃，钎焊的温度为1150℃～1200℃，在真空条件下，钎焊温度为1150℃～1200℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，焊接界面的高温力学性能优异。
对比例1
本对比例的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％，Ni21％，Zr 10％，Cu 43％。
本对比例的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为2.5×10-2Pa，熔炼功率为20kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭采用真空气雾化制粉，得到Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末。
经检测，本对比例的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末的熔点为760℃～835℃，在真空条件下，钎焊温度为1150℃～1200℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，焊接界面处的钎焊料流失过多，焊接界面的高温力学性能较差。
通过对比例1与实施例1对比可以看出，当Zr的质量百分数大于5％时，得到的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末的熔点降低，不能达到高熔点要求，在应用于钛合金与不锈钢钎焊时，焊接界面处的钎焊料流失过多，焊接界面的高温力学性能较差。
对比例2
本对比例的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％，Ni21％，Zr 0.5％，Cu 43％。
本对比例的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为2.5×10-2Pa，熔炼功率为20kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭采用真空气雾化制粉，得到Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末。
经检测，本对比例的Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末的熔点为1110℃～1150℃，在真空条件下，钎焊温度为1150℃～1200℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，钎焊料流动低，铺展不充分，焊接界面的高温力学性能较差。
通过对比例2与实施例1对比可以看出，当Zr的质量百分数小于1％时，过低的Zr含量降低了钎焊料的浸润性能，在应用于钛合金与不锈钢钎焊时，钎焊料的流动性不好，铺展不充分，焊接界面的高温力学性能较差。
通过对比例1和对比例2与实施例1对比可以看出，当Zr的质量百分数大于5％时，过高的Zr含量降低了钎焊料的熔点，钎焊时，焊接界面处的钎焊料流失过多，焊接界面的高温力学性能较差，当Zr的质量百分数小于1％时，过低的Zr含量降低了钎焊料的浸润性能，钎焊时，钎焊料铺展不够充分，焊接界面的高温力学性能较差。
实施例2
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti27％，Ni 22％，Zr 2％，Cu 49％。
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为2.1×10-2Pa，熔炼功率为20kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭采用旋转电极气雾化制粉，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末。
经检测，本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末的熔点为980℃～1030℃，钎焊的温度为1040℃～1120℃，在真空条件下，钎焊温度为1040℃～1120℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，焊接界面的高温力学性能优异。
实施例3
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti28％，Ni 23％，Zr 3％，Cu 46％。
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为1.9×10-2Pa，熔炼功率为21kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭采用真空气雾化制粉，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末；
步骤四、将步骤三中得到的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末中加入粘接剂和活性剂，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料焊膏。
经检测，本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料焊膏的熔点为950℃～980℃，钎焊的温度为1000℃～1080℃，在氩气保护下，钎焊温度为1000℃～1080℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，焊接界面的高温力学性能优异。
实施例4
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti29％，Ni 24％，Zr 4％，Cu 43％。
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为1.8×10-2Pa，熔炼功率为22kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭采用真空气雾化制粉，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末；
步骤四、将步骤三中得到的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末中加入粘合剂后压制成带状并在表面涂覆粘胶剂，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粘带。
经检测，本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粘带的熔点为930℃～950℃，钎焊的温度为980℃～1050℃，在氩气保护下，钎焊温度为980℃～1050℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，焊接界面的高温力学性能优异。
实施例5
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti30％，Ni 25％，Zr 5％，Cu 40％。
本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量分数均为99.95％的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆，分别用丙酮清洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的海绵钛、电解铜、电解镍和海绵锆加入到真空感应熔炼炉中进行两次真空感应熔炼，然后进行浇铸得到合金铸锭；所述真空感应熔炼采用电磁搅拌精炼，控制炉内的真空度为1.5×10-2Pa，熔炼功率为23kW；
步骤三、将步骤二中得到的合金铸锭依次进行机械切削加工和球磨制粉，得到高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末。
经检测，本实施例的高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料粉末的熔点为920℃～930℃，钎焊的温度为950℃～1000℃，在真空条件下，钎焊温度为950℃～1000℃时用于钛合金与不锈钢钎焊，焊接界面的高温力学性能优异。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，该钎焊料为含有Ni元素、Zr元素和Ti元素的Cu基钎焊料，其特征在于，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％～30％，Ni 21％～25％，Zr 1％～4％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述钎焊料的熔点为920℃～1100℃。
2.根据权利要求1所述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％～28％，Ni21％～23％，Zr 1％～3％，余量为Cu和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，该钎焊料由以下质量百分数的成分组成：Ti 26％，Ni 21％，Zr 1％，余量为Cu和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，所述高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料在氩气保护下或真空条件下实施钎焊，钎焊的温度为950℃～1200℃。
5.根据权利要求1所述的一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料，其特征在于，所述高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料为钎焊粉末、钎焊焊膏或钎焊粘带。
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