CN102198569A - 一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料及其制备方法，它涉及一种高温钎料及其制备方法。它解决了采用传统钎料获得的TiAl基合金钎焊接头使用温度低，高温环境下接头性能差、所用钎料价格昂贵、钎料制备工艺复杂的问题。钎料由Ti、Ni和V制成。方法：一、称取原料；二、原料装入电弧熔炼设备中抽真空，然后充入氩气，再进行熔炼合金化，反复熔炼并冷却后即完成。本发明所制备的钎料与现有的钎料对比，其熔点合适，润湿性好，钎料成分中不含有Ag、Zr等贵金属，成本低廉；钎焊接头800℃高温环境下强度好、适用于各种形式接头、制备方法简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温钎焊材料及其制备方法。
背景技术
TiAl基合金具有高的比强度、比刚度，以及良好的高温抗氧化、抗蠕变性能，使用温度可望达到900℃以上。TiAl基合金被公认为是代替钛合金和镍基高温合金的理想材料，拥有广阔的应用前景，是一种非常有发展潜力的轻质高温材料。自从1975年美国空军材料实验室提出第一个TiAl基合金发展计划以来，TiAl基合金一直是全世界范围内航空、航天、军工等重要工业部门积极支持并组织研究的热点材料。经过二十多年来各国研究者们深入细致的基础研究工作，TiAl基合金的发展已经步入实用化的研究阶段。
TiAl基合金除有望直接用于结构材料外，还可以制作航空、航天、汽车等发动机的零部件以及高速飞行器的翼、壳体等。然而，TiAl基合金在工程上要想获得广泛的应用，必然要涉及到焊接问题，包括其自身的焊接及其它材料的焊接。关于TiAl基合金的焊接，国内外学者已展开了相关的研究工作，根据文献及相关报道，TiAl基合金自身熔点高，硬度大，且低温塑性差，其焊接性表明，钎焊是实现TiAl基合金连接是一种较为合适的方法。
然而，目前用于TiAl基合金钎焊的钎料及其制备方法还存在以下问题：
1、铝基钎料，由于该钎料自身熔点较低，使得获得的TiAl基合金钎焊接头的使用温度低，难以在高温下使用，不能发挥TiAl合金的高温应用价值。另外在接头内已形成脆性的TiAl3化合物，严重降低接头的力学性能。
2、银基钎料，与铝基钎料相似，获得的钎焊接头使用温度低于500℃，难以长时间在高温条件下使用。且银基钎料价格昂贵，生产成本高。
3、镍基钎料，采用镍基钎料获得的钎焊接头可以在较高的温度下使用，但是在接头内容易生成脆性金属间化合物，严重降低了接头的力学性能。且目前镍基钎料大都采用Si、B等作为降熔元素，对接头的抗氧化及腐蚀性能不利。
4、钛基钎料，采用钛基钎料获得的钎焊接头使用温度高，高温环境下强度好，但目前常用的钛基钎料种类较少，且大都含有贵金属元素(如：Zr、Hf等)。生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用传统钎料获得的TiAl基合金钎焊接头使用温度低，高温环境下接头性能差、所用钎料价格昂贵、钎料制备工艺复杂的问题，而提供一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料及其制备方法。
用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由32％～36％的Ti、40％～44％的Ni和20％～28％的V制成。
制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的方法按以下步骤进行：一、按重量百分比称取32％～36％的Ti、40％～44％的Ni和20％～28％的V；二、将称取的Ti、Ni和V装入电弧熔炼设备中抽真空，真空度为1×10-31×10-1Pa，然后充入氩气，再采用电弧加热进行熔炼合金化，反复熔炼6～12次，冷却后即完成制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料。
本发明所制备的高温钎料，经电弧熔炼后形成TiNi金属间化合物和V的共晶组织，共晶温度为1150℃左右，钎焊加热过程中，钎料在该温度下熔化后润湿TiAl母材并在其表面铺展。V的存在可以增加TiAl中B2相的体积分数，提高其高温变形能力。冷却过程中Ni与Ti、Al形成τ3相呈短棒状或条状分布于接头中。本发明制备的高温钎料采取预置钎料方式，钎焊温度1180℃时可以得到完整TiAl基合金接头，接头具有良好力学性能，其室温抗剪性能可达到178～196MPa，800℃高温三次热循环后的室温抗剪强度可达到152～168MPa，800℃高温抗剪强度可达到137～150MPa。本发明所制备的钎料与现有的钎料对比，其熔点合适，润湿性好，钎焊接头具有较好的室温及高温强度，且本发明的钎料成分中不含有Ag、Zr等贵金属，成本低廉。
本发明涉及的钎焊材料及其制备方法用于TiAl基合金钎焊上具有钎焊接头800℃高温环境下强度好、适用于各种形式接头、制备方法简便、制造成本低的优点。
附图说明
图1为具体实施方式十三中制备所得TiAl基合金钎焊的高温钎料的背散射电子衍射组织形貌图；图2为具体实施方式十三中TiAl基合金接头的界面组织结构图；图3为具体实施方式十三中TiAl基合金接头经800℃高温三次热循环后界面组织结构图；图4为具体实施方式十三中TiAl基合金接头在800℃条件下经压剪测试后断口二次电子形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由32％～36％的Ti、40％～44％的Ni和20％～28％的V制成。
本实施方式中Ti、Ni和V均由金属单质组成，质量纯度为99.9％～99.95％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由32％的Ti、44％的Ni和24％的V制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由36％的Ti、44％的Ni和20％的V制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由33％～34％的Ti、41％～43％的Ni和23％～26％的V制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由34％的Ti、42％的Ni和24％的V制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的方法按以下步骤进行：一、按重量百分比称取32％～36％的Ti、40％～44％的Ni和20％～28％的V；二、将称取的Ti、Ni和V装入电弧熔炼设备中抽真空，真空度为1×10-3～1×10-1Pa，然后充入氩气，再采用电弧加热进行熔炼合金化，反复熔炼6～12次，冷却后即完成制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料。
本实施方式步骤二中充入氩气的纯度为99.99％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤一中按重量百分比称取33％的Ti、43％的Ni和24％的V。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤一中按重量百分比称取35％的Ti、40％的Ni和25％的V。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤二中真空度为1×10-3Pa。其它步骤及参数与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤二中真空度为1×10-1Pa。其它步骤及参数与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是步骤二中反复熔炼8～10次。其它步骤及参数与具体实施方式六至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一之一不同的是步骤二中反复熔炼9次。其它步骤及参数与具体实施方式式六至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的方法按以下步骤进行：一、按重量百分比称取34％的Ti、42％的Ni和24％的V；二、将称取的Ti、Ni和V装入电弧熔炼设备中抽真空，真空度为1×10-3Pa，然后充入氩气，再采用电弧加热进行熔炼合金化，反复熔炼6次，冷却后即完成制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料。
本实施方式中Ti的质量纯度为99.92％，Ni的质量分数为99.95％，V的质量分数为99.9％。
本实施方式中制备所得TiAl基合金钎焊的高温钎料，由图1可以看出：经真空电弧熔炼后，获得了均匀的铸造组织，X射线衍射分析结果显示该钎料主要为TiNi金属间化合物和V的共晶组织。
本实施方式中制备的高温钎料采取预置钎料方式，在1180℃/10min条件下钎焊TiAl获得了完整TiAl基合金接头，其室温抗剪性能可以达到196MPa，800℃高温三次热循环后的室温抗剪强度可以达到165MPa，800℃高温抗剪强度可以达到148MPa；TiAl基合金接头界面组织结构如图2所示，且经能谱分析和X射线衍射分析可知，界面处形成了B2相及τ3相。TiAl基合金接头经800℃高温三次热循环后界面组织结构如图3所示，对比图2可以看出，经高温热循环后该接头界面结构无明显变化，具有较好的组织热稳定性。TiAl基合金接头在800℃条件下经压剪测试后断口二次电子形貌如图4所示，可以看出，接头断裂于TiAl母材侧，说明钎焊接头具有较好的高温强度；因此采用本实施方式制备的高温钎料可实现TiAl基合金的可靠连接，钎料润湿性良好界面反应充分，接头内不存在焊接缺陷，说明本实施方式中得到的高温钎料完全可以满足TiAl基合金的钎焊要求。
具体实施方式十四：本实施方式制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的方法按以下步骤进行：一、按重量百分比称取32％的Ti、40％的Ni和28％的V；二、将称取的Ti、Ni和V装入电弧熔炼设备中抽真空，真空度为1×10-3Pa，然后充入氩气，再采用电弧加热进行熔炼合金化，反复熔炼8次，冷却后即完成制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料。
本实施方式中制备的高温钎料采取预置钎料方式，在1180℃/10min条件下钎焊TiAl获得了完整TiAl基合金接头，其室温抗剪性能可以达到196MPa，800℃高温三次热循环后的室温抗剪强度可以达到168MPa，800℃高温抗剪强度可以达到150MPa。
Claims (8)
1.一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料，其特征在于用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由32％～36％的Ti、40％～44％的Ni和20％～28％的V制成。
2.根据权利要求1所述的一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料，其特征在于用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由33％～34％的Ti、41％～43％的Ni和23％～26％的V制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料，其特征在于用于TiAl基合金钎焊的高温钎料按照重量百分比由34％的Ti、42％的Ni和24％的V制成。
4.制备如权利要求1所述一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的方法，其特征在于制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的方法按以下步骤进行：一、按重量百分比称取32％～36％的Ti、40％～44％的Ni和20％～28％的V；二、将称取的Ti、Ni和V装入电弧熔炼设备中抽真空，真空度为1×10-3～1×10-1Pa，然后充入氩气，再采用电弧加热进行熔炼合金化，反复熔炼6～12次，冷却后即完成制备用于TiAl基合金钎焊的高温钎料。
5.根据权利要求4所述的一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤一中按重量百分比称取33％的Ti、43％的Ni和24％的V。
6.根据权利要求4所述的一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤一中按重量百分比称取35％的Ti、40％的Ni和25％的V。
7.根据权利要求4、5和6所述的一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤二中反复熔炼8～10次。
8.根据权利要求7所述的一种用于TiAl基合金钎焊的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤二中反复熔炼9次。
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