CN104741722B - TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料,步骤如下:按质量百分比称取Ni丝(箔)和Ti丝(箔)制成箔片钎料;对母材TZM和ZrC/W的待焊部位打磨处理;依次用丙酮和乙醇溶液对箔片钎料和钎焊母材进行超声清洗;将箔片钎料置于TZM合金与ZrC/W复合材料之间,组成待焊组件,将其放于真空钎焊炉中,抽真空到5.0×10‑3Pa并加热升温钎焊,本发明中使用的钎料不含贵重金属,材料广泛,经济适用,制作方法简单,获得的TZM合金与ZrC/W复合材料钎焊接头的平均剪切强度不低于111MPa,具有很好的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,具体涉及高温钎焊材料及其制备方法,它适用于TZM合金与ZrC/W复合材料的真空钎焊。
背景技术
TZM为含0.5%Ti与0.08%Zr(wt.%)的钼合金,具有熔点高、强度大、弹性模量高、线膨胀系数小、蒸气压低、导电导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能良好等特点,广泛应用于军事工业、航天航空及核电领域,如鱼雷发动机中的配气阀体、火箭喷嘴、燃气管道、喷管喉衬以及核能源设备上的辐射罩、支撑架、热交换器、轨条等。
ZrC-W为ZrC颗粒增强钨基复合材料,具有优异的高温力学性能、热物理性能、抗热震和耐烧蚀性能,在超高温材料领域具有广阔的应用空间,可应用于固体火箭发动机喉衬、发射器外壳涂层、耐高温模具和卡具及热阴极发射材料等。但是,ZrC/W复合材料机械加工困难,不易加工成形状复杂的部件,限制其在实际工程中的广泛应用。因此,实现它们自身或与其他材料的连接具有重要的应用价值。将TZM合金与ZrC-W复合材料进行连接,可以提高加工效率、降低加工成本、拓宽两种材料的使用范围。然而,TZM及ZrC/W复合材料熔点较高,难以形成液相,普通的熔化焊,如TIG、MIG、激光焊、电子束焊等方法很难适应TZM与ZrC/W复合材料的连接。钎焊是异种材料连接的常用方法,金属与陶瓷材料进行钎焊时,钎料中常含有活性元素(如Ti、Zr、Nb、Hf、Ta等)。
本申请人进行检索,相关论文文献中,有四川大学徐庆元等人采用Ti基合金进行TZM合金与石墨钎焊研究的报道,哈尔滨工业大学宋昌宝等人采用TiNi钎料钎焊连接ZrC-SiC复合陶瓷接头的报道,在已公开的论文文献和专利文献中,未见有关于TZM合金与ZrC/W复合材料之间自身或两种材料之间进行连接的相关专利报道。。
由于TZM合金与ZrC/W复合材料都属于高温材料,可应用于航空、航天的热端部件,因此连接接头应具有较好的耐高温性能,因此,本申请人选用TiNi高温钎料对两种材料进行钎焊连接。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种焊接效果好的TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法。
一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料,具体步骤如下:
步骤一、按质量百分比称取26-30%的Ni和70-74%的Ti,两者之和等于100%,熔炼成合金锭,制成箔片,得到箔片钎料;
步骤二、依次用300目,500目,800目,1000目SiC砂纸和金刚石沙盘分别对TZM和ZrC/W的待焊部位进行打磨处理,得到钎焊母材;
步骤三、将步骤一和步骤二得到的箔片钎料和钎焊母材浸入丙酮中,超声清洗15min~20min,然后再用无水乙醇,超声清洗5~10min,晾干待用;
步骤四、将步骤三得到的箔片钎料和钎焊母材,按由下而上顺序依次放置TZM合金、箔片钎料和ZrC/W复合材料,再在ZrC/W复合材料上放置至少能提供2KPa压力的石墨压块,以限制待焊件在钎焊过程中的移位,组成待焊组件;
步骤五、将步骤四中得到的待焊组件置于真空钎焊炉中,抽真空到5.0×10-3Pa,开始加热升温,升温速率为20℃/min;当温度达到800℃后,将升温速率改为10℃/min,加热至940℃,保温5分钟;再以5℃/min的速率加热至钎焊温度为1000℃~1080℃,保温不超过20min ;以5℃/min.的速率降温,温度达到200℃时,关闭加热装置;随炉冷却,直到室温;完成利用TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料。
本发明中涉及的ZrC/W复合材料,按体积百分比,是由30~50%的ZrC与50~70%的W经热等静压制作而成,两者之和等于100%。
本发明所述的Ni丝(箔)纯度不低于99.5%(wt. %), Ti丝(箔)的纯度不低于99.6%(wt. %)。
本发明步骤一中按质量百分比称取26-30份的Ni丝(箔)、70-74份的Ti丝(箔),放入真空熔炼炉坩埚中,先抽真空到5.0×10-3Pa后,再充氩气,在坩埚中通过电弧反复熔炼10次得到合金锭,用线切割加工成0.5mm~0.6mm厚的薄片,然后将薄片的正反两面进行机械磨光,最后用1000目的SiC砂纸打磨成厚度为0.1mm的TiNi箔片,得到箔片钎料。
本发明步骤五中以5℃/min 的升温速率,从940℃加热至钎焊温度,钎焊温度分别为1000℃或1020℃或1040℃或1060或1080℃进行钎焊连接,保温时间不超过20min。
本发明步骤五中以5℃/min 的升温速率,从940℃加热至最佳钎焊温度1020℃进行钎焊连接,保温最佳时间为10min。
本发明中步骤二中TZM合金的待焊表面,依次用300目,500目,800目,1000目的SiC砂纸进行打磨;将ZrC/W复合材料的待焊表面,依次用300目,500目,800目,1000目的金刚石沙盘进行打磨;
本发明中使用的钎料不含贵重金属,材料广泛,经济适用,制作方法简单,获得的TZM合金与ZrC/W复合材料平均钎焊接头强度不低于111MPa,具有很好的推广价值。
附图说明
图1 为待焊件布置图
图2为钎焊的工艺流程图,
图3为采用Ti72Ni28钎焊,在1020℃,保温时间10min时,获得钎焊接头的背散射图片。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述:
一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料,所述的Ni丝或Ni箔纯度不低于99.5%,Ti丝或Ti箔的纯度不低于99.6%, ZrC/W复合材料,按体积百分比,是由30~50%的ZrC与50~70%的W经热等静压制作而成,两者之和等于100%。
具体步骤如下:
步骤一、按质量百分比称取26-30%的Ni丝(箔)和70-74%的Ti丝(箔),两者之和等于100%,熔炼成合金锭,制成箔片,具体是按质量百分比称取26-30份的Ni丝(箔)、70-74份的Ti丝(箔),放入真空熔炼炉坩埚中,先抽真空到5X 10-3Pa后,再充氩气,在坩埚中通过电弧反复熔炼10次得到合金锭,用线切割加工成0.5mm-0.6mm厚的薄片,然后将薄片的正反两面进行机械磨光,最后用1000目的SiC砂纸打磨成厚度为0.1mm的TiNi箔片,得到箔片钎料。
步骤二、依次用300目,500目,800目,1000目SiC砂纸和金刚石沙盘分别对TZM和ZrC/W的待焊部位进行打磨处理,得到钎焊母材;具体地说是依次用300目,500目,800目,1000目的SiC砂纸进行打磨;将ZrC/W复合材料的待焊表面,依次用300目,500目,800目,1000目的金刚石沙盘进行打磨;
步骤三、将步骤一和步骤二得到的箔片钎料和钎焊母材浸入丙酮中,超声清洗15min~20min,然后再用无水乙醇,超声清洗5~10min,晾干待用;
步骤四、将步骤三得到的箔片钎料和钎焊母材,按由下而上顺序依次放置TZM合金、箔片钎料和ZrC/W复合材料,再在ZrC/W复合材料上放置至少能提供2KPa压力的石墨压块,以限制待焊件在钎焊过程中的移位,组成待焊组件;
步骤五、将步骤四中得到的待焊组件置于真空钎焊炉中,抽真空到5.0X10-3Pa,开始加热升温,升温速率为20℃/min;当温度达到800℃后,将升温速率改为10℃/min,加热至940℃,保温5分钟;再以5℃/min的速率加热至钎焊温度为1000℃~1080℃,保温时间不超过20min ;最佳的钎焊温度为1020℃时,保温时间为10min;然后以5℃/min.的速率降温,温度达到200℃时,关闭加热装置;随炉冷却,直到室温;完成利用TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料。
本发明中使用的钎料不含贵重金属,材料广泛,经济适用,制作方法简单,获得的TZM合金与ZrC/W复合材料平均钎焊接头强度不低于111MPa,具有很好的推广价值。
Claims (5)
1.一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料,具体步骤如下:
步骤一、按质量百分比称取26-30%的Ni和70-74%的Ti,两者之和等于100%,熔炼成合金锭,制成箔片,得到箔片钎料;
步骤二、依次用300目、500目、800目、1000目SiC砂纸和金刚石沙盘分别对TZM和ZrC/W的待焊部位进行打磨处理,得到钎焊母材;
步骤三、将步骤一和步骤二得到的箔片钎料和钎焊母材浸入丙酮中,超声清洗15min~20min,然后再用乙醇,超声清洗5~10min,晾干待用;
步骤四、将步骤三得到的箔片钎料和钎焊母材,按由下而上顺序依次放置TZM合金、箔片钎料和ZrC/W复合材料,再在ZrC/W复合材料上放置至少能提供2KPa压力的石墨压块,以限制待焊件在钎焊过程中的移位,组成待焊组件;
步骤五、将步骤四中得到的待焊组件置于真空钎焊炉中,抽真空到5.0×10-3Pa,开始加热升温,升温速率为20℃/min;当温度达到800℃后,将升温速率改为10℃/min,加热至940℃,保温5分钟;再以5℃/min的速率加热至钎焊温度为1000℃~1080℃,保温不超过20min;以5℃/min的速率降温,温度达到200℃时,关闭加热装置;随炉冷却,直到室温;完成利用TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于ZrC/W复合材料,按体积百分比是由30~50%的ZrC与50~70%的W经热等静压制作而成,两者之和等于100%。
3.根据权利要求1所述的一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于步骤五中以5℃/min的升温速率,从940℃加热至钎焊温度,分别为1000℃或1020℃或1040℃或1060℃或1080℃进行钎焊连接,保温时间不超过20min。
4.根据权利要求1所述的一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于步骤五中,加热至钎焊温度1020℃,进行钎焊连接,保温时间为10min。
5.根据权利要求1所述的一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法,其特征在于步骤二中TZM合金的待焊表面,依次用300目、500目、800目、1000目的SiC砂纸进行打磨;将ZrC/W复合材料的待焊表面,依次用300目、500目、800目、1000目的金刚石沙盘进行打磨。
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