CN101254572B - 一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接金属钛合金与铜合金的方法。一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于它包括以下步骤：1)选择铌箔或铌粉作为连接钛合金片与铜合金片的中间层，清洁钛合金片和铜合金片的待焊面；2)将铌中间层置于钛合金片与铜合金片之间，整体放入石墨模具中，然后将石墨模具移入真空焊接炉内，并施加0.5～2MPa的预压力压实；3)对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，升温至700～850℃后保温30～60min，升温速率为2～10℃/min，并在保温前施加5～10MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。该方法可实现钛合金与铜合金的高强度连接。适合于多种钛、铜合金的高强度连接。

Description

一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法

技术领域

本发明涉及一种焊接金属钛合金与铜合金的方法。

背景技术

现代科学技术的发展，往往要求同一构件的不同部位承受不同的工作条件，用单一的金属材料制造这样的构件不仅不经济，而且有时是不可能的。如果能把几种不同金属组合成构件并尽可能使构件不同部位上的金属是能够承受相应工作条件的最佳材科，就可以扬长避短，最大限度地发挥各种材料的潜力。

钛合金作为一种重要的结构材料，具有比重小、强度高、耐热和耐蚀性好等优点，在航空、航天、石化、医疗等领域得以广泛应用，但由于价格昂贵，限制了进一步推广应用。铜合金具有良好的延展性和加工性，而且电导率高、导热性好，但在抗氧化性、熔点及硬度方面的不足阻碍了其应用。因此，研究钛合金与铜合金的连接技术，充分发挥二者各自的性能优势，是进一步拓宽钛、铜合金应用领域的有效途径之一。例如，钛-铜复合材料作为一种金属阳极的主要部件，可将钛合金的耐腐蚀性和铜合金的良好导电性融为一体，能代替传统的石墨阳极，使其寿命提高10倍以上，节能20％以上。

扩散焊是连接异种金属和合金的一种行之有效的方法，与其它焊接方法相比，它具有焊接接头的质量好、焊件整体变形小、操作过程简单、工艺参数易调易控等优点。但是，钛合金与铜合金之间由于熔点、热导率、热膨胀系数等物理性能存在较大差异，而且二者的晶格类型不同，原子半径也相差很多，钛合金与铜合金的直接接触扩散焊难以实现可靠连接，焊接时产生的问题主要有：

钛与铜的互溶性小，易形成多种脆性的金属间化合物，使接头脆性增加；钛与铜高温时的吸氢能力都很强，易产生脆性氢化物，会显著降低焊接接头的塑性和韧性；钛与铜的热膨胀系数相差近一倍，焊接时会产生较大的应力，获得的焊件极易发生开裂现象；钛与铜均易氧化，氧化膜会削弱钛与铜之间的界面结合能力。

发明内容

为解决直接扩散焊技术在连接钛与铜时存在的问题，本发明提供一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，该方法可实现钛合金与铜合金的高强度连接。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，包括以下步骤：

1)选择铌箔或铌粉作为连接钛合金片与铜合金片的中间层，清洁钛合金片和铜合金片的待焊面；

2)将铌中间层置于钛合金片与铜合金片之间，整体放入石墨模具中，然后将石墨模具移入真空焊接炉内，放置于炉内的石墨上压头和石墨下压头之间，并施加0.5～2MPa的预压力压实；

3)对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，升温至700～850℃后保温30～60min，升温速率为2～10℃/min，并在保温前施加5～10MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

所述的铌中间层(铌箔或铌粉)的厚度为50～100μm。

所述的铌箔、铌粉的纯度≥99％，铌粉的平均粒度为5～20μm。

所述的钛合金片为Ti-6Al-4V合金、Ti-5Al-2.5Sn合金或Ti-13V-11Cr-3Al合金。

所述的铜合金片为无氧铜、青铜、黄铜或白铜。

本发明通过在钛合金与铜合金之间加入铌中间层进行真空扩散焊接，一方面，可防止钛合金与铜合金直接连接时脆性金属间化合物的生成，提高接头的韧性和结合强度；另一方面，铌的热膨胀系数和热导率等物理性能介于钛合金与铜合金之间，它在钛、铜合金之间起到缓解接头应力和减少接头形变的作用，因而能有效提高接头强度。利用本发明的制备方法，可实现多种钛、铜合金的高强度连接。例如，采用50μm的Nb箔作为中间层，扩散焊接Ti-6Al-4V合金和无氧铜的焊件接头的抗拉强度达到107MPa，比未加Nb箔的直接焊接体的强度高出40MPa。

附图说明

图1是本发明扩散焊接钛合金与铜合金的装配示意图；

图2是本发明加入铌箔中间层后扩散焊接钛合金(Ti-6Al-4V)和铜合金(无氧铜)的连接界面的显微结构图；

图3是直接扩散焊接钛合金(Ti-6Al-4V)和铜合金(无氧铜)的连接界面的显微结构图；

图中：1-石墨上压头；2-上阻焊层；3-石墨圆形外套；4-石墨下压头；5-真空焊接炉下压头；6-真空焊接炉上压头；7-钛合金片；8-铌中间层；9-铜合金片；10-下阻焊层。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：钛合金(Ti-6Al-4V)与铜合金(无氧铜)的连接，

一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，包括以下步骤：

1)焊接前工件的表面清理：选择铌箔作为连接Ti-6Al-4V合金和无氧铜圆片的中间层，铌中间层为纯度99％、厚度50μm、直径25mm；焊件是直径25mm的Ti-6Al-4V合金和无氧铜圆片；将Ti-6Al-4V合金、无氧铜圆片和铌箔的待焊表面用平面磨床、研磨机等设备加工平整，然后用粒度分别为1000#、1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨光滑；然后用去离子水将Ti-6Al-4V合金、无氧铜圆片和铌箔冲洗干净，并用丙酮超声波清洗10min，备用。

2)焊件装配、入炉：如图1所示，将铌中间层8置于钛合金片7(Ti-6Al-4V合金)和铜合金片9(无氧铜圆片)之间，将无氧铜圆片置于底层，然后放置铌中间层，最上边是Ti-6Al-4V合金；将组装好的工件整体放入石墨模具中，放置于石墨上压头1和石墨下压头4之间，在石墨上压头1与钛合金片7之间放置上阻焊层2，在石墨下压头4与铜合金片9之间放置下阻焊层10；然后将装配好的焊件放于真空焊接炉内的真空焊接炉上压头6和真空焊接炉下压头5之间并施加0.5MPa的预压力压实。图1中：标号3为石墨模具的石墨圆形外套。上阻焊层2、下阻焊层10分别是直径25mm、厚度1.5mm的石墨垫片。

3)真空扩散焊、出炉：对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，先以10℃/min的升温速率升温至800℃，然后以2℃/min升至850℃，保温30min，在保温前施加5MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

图2是加入铌中间层后扩散焊接Ti-6Al-4V合金和无氧铜的连接界面的显微结构，与直接扩散焊接的接头界面(图3)相比，加入铌箔后，焊接接头的界面清晰、平整，形变量小，而且不存在明显的脆性金属间化合物过渡层。抗拉强度测试实验表明，加入铌中间层的焊接接头强度达到107MPa，比未加Nb箔的直接焊接体的强度高出40MPa。

实施例2：钛合金(Ti-6Al-4V)与铜合金(青铜)的连接，

一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，包括以下步骤：

1)焊接前工件的表面清理：选择铌箔作为连接Ti-6Al-4V合金和青铜圆片的中间层，铌中间层为纯度99％、厚度100μm、直径25mm；焊件是直径25mm的Ti-6Al-4V合金和青铜圆片；将Ti-6Al-4V合金、青铜圆片和铌箔的待焊表面用平面磨床、研磨机等设备加工平整，然后用粒度分别为1000#、1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨光滑；然后用去离子水将Ti-6Al-4V合金、青铜圆片和铌箔冲洗干净，并用丙酮超声波清洗10min，备用。

2)焊件装配、入炉：将铌中间层置于Ti-6Al-4V合金和青铜圆片之间，将青铜圆片置于底层，然后放置铌中间层，最上边是Ti-6Al-4V合金；将组装好的工件整体放入石墨模具中，放置于石墨上压头和石墨下压头之间，在石墨上压头与钛合金片(Ti-6Al-4V合金)之间放置上阻焊层，在石墨下压头与铜合金片(青铜圆片)之间放置下阻焊层；然后将装配好的焊件放于真空焊接炉内的真空焊接炉上压头和真空焊接炉下压头之间并施加2MPa的预压力压实。上阻焊层、下阻焊层分别是直径25mm、厚度1.5mm的石墨垫片。

3)真空扩散焊、出炉：对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，先以10℃/min的升温速率升温至650℃，然后以2℃/min升至700℃，保温60min，在保温前施加10MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

实施例3：钛合金(Ti-5Al-2.5Sn)与铜合金(黄铜)的连接，

一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，包括以下步骤：

1)焊接前工件的表面清理：选择铌粉作为连接Ti-5Al-2.5Sn合金和黄铜圆片的中间层，铌中间层为纯度99％、平均粒度5μm，铺层厚度100μm、直径25mm；焊件是直径25mm的Ti-5Al-2.5Sn合金和黄铜圆片，将Ti-5Al-2.5Sn合金和黄铜圆片的待焊表面用平面磨床、研磨机等设备加工平整，然后用粒度分别为1000#、1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨光滑；然后用去离子水将Ti-5Al-2.5Sn合金、黄铜圆片冲洗干净，并用丙酮超声波清洗10min，备用。

2)焊件装配、入炉：将铌中间层(铌粉)置于Ti-5Al-2.5Sn合金和黄铜圆片之间，将黄铜圆片置于底层，然后放置铌中间层，最上边是Ti-5Al-2.5Sn合金；将组装好的工件整体放入石墨模具中，放置于石墨上压头和石墨下压头之间，在石墨上压头与钛合金片(Ti-5Al-2.5Sn合金)之间放置上阻焊层，在石墨下压头与铜合金片(黄铜圆片)之间放置下阻焊层；然后将装配好的焊件放于真空焊接炉内的真空焊接炉上压头和真空焊接炉下压头之间并施加0.5MPa的预压力压实。上阻焊层、下阻焊层分别是直径25mm、厚度1.5mm的石墨垫片。

3)真空扩散焊、出炉：对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，先以10℃/min的升温速率升温至800℃，然后以2℃/min升至850℃，保温30min，在保温前施加5MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

实施例4：钛合金(Ti-13V-11Cr-3Al)与铜合金(白铜)的连接，

一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，包括以下步骤：

1)焊接前工件的表面清理：选择铌粉作为连接Ti-13V-11Cr-3Al合金和白铜圆的中间层，铌中间层为纯度99％、平均粒度20μm，铺层厚度50μm、直径25mm；焊件是直径为25mm的Ti-13V-11Cr-3Al合金和白铜圆片，将Ti-13V-11Cr-3Al合金和白铜圆片的待焊表面用平面磨床、研磨机等设备加工平整，然后用粒度分别为1000#、1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨光滑；然后用去离子水将Ti-13V-11Cr-3Al合金和白铜圆片冲洗干净，并用丙酮超声波清洗10min，备用。

2)焊件装配、入炉：将铌中间层(铌粉)置于Ti-13V-11Cr-3Al合金和白铜圆片之间，将白铜圆片置于底层，然后放置铌中间层，最上边是Ti-13V-11Cr-3Al合金；将组装好的工件整体放入石墨模具中，放置于石墨上压头和石墨下压头之间，在石墨上压头与钛合金片(Ti-13V-11Cr-3Al合金)之间放置上阻焊层，在石墨下压头与铜合金片(白铜圆片)之间放置下阻焊层；然后将装配好的焊件放于真空焊接炉内的真空焊接炉上压头和真空焊接炉下压头之间并施加2MPa的预压力压实。上阻焊层、下阻焊层分别是直径25mm、厚度1.5mm的石墨垫片。

3)真空扩散焊、出炉：对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，先以10℃/min的升温速率升温至650℃，然后以2℃/min升至700℃，保温60min，在保温前施加10MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

Claims (5)

1.一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)选择铌箔或铌粉作为连接钛合金片与铜合金片的中间层，清洁钛合金片和铜合金片的待焊面；

2)将铌中间层置于钛合金片与铜合金片之间，整体放入石墨模具中，然后将石墨模具移入真空焊接炉内，放置于炉内的石墨上压头和石墨下压头之间，并施加0.5～2MPa的预压力压实；

3)对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5×10^-3Pa时，开始加热，升温至700～850℃后保温30～60min，升温速率为2～10℃/min，并在保温前施加5～10MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

2.根据权利要求1所述的一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于：所述的铌中间层的厚度为50～100μm。

3.根据权利要求1所述的一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于：所述的铌箔、铌粉的纯度≥99％，铌粉的平均粒度为5～20μm。

4.根据权利要求1所述的一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于：所述的钛合金片为Ti-6Al-4V合金、Ti-5Al-2.5Sn合金或Ti-13V-11Cr-3Al合金。

5.根据权利要求1所述的一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于：所述的铜合金片为无氧铜、青铜、黄铜或白铜。

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