CN104772578A - 一种包括钛-锆-铜-镍的钎料 - Google Patents

一种包括钛-锆-铜-镍的钎料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能够降低钎料熔化温度的钎料，其包括10-20wt％的锆、10-20wt％的铜、10-20wt％的镍，以及余量的钛。本发明还涉及一种改善了润湿性的钎料，其包括钛、锆、铜、镍和镧。

Description

一种包括钛-锆-铜-镍的钎料
技术领域
本发明涉及一种包括钛-锆-铜-镍的钎料，特别涉及一种包括钛-锆-铜-镍-镧的钎料。
背景技术
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，由于钛及钛合金有相当高的比强度和高温强度以及优良的耐蚀性和抗高温氧化性而在航空、航天、火箭、人造卫星和造船等工业部门被广泛应用。
钛及钛合金作为一种优良的结构材料，虽然应用时间较短，但它发展迅速，这与航空、航天技术的飞速发展及其本身所具有的优异性能是分不开的。因而作为钛及钛合金钎焊用的钎料也受到了高度重视。
用于钛及钛合金钎焊的钎料有很多种，可分为银基、钯基、铝基、钛基四大类。其中铝基钎料钎焊钛合金的会在钎焊接头形成脆硬的金属间化合物，接头性能较差；银与钯都是贵金属，且银基钎料和钯基钎料的成本较高，不适合大规模生产，且接头性能亦较差；而钛基钎料由于和钛合金基体一样，具有最好的润湿性能和流动性，能够实现钎焊焊缝具有与母材相近性能。在所有的钛基钎料中，Ti-Cu-Ni系合金应用广泛。但是，在钎焊过程中Ti-Cu-Ni钎料的熔化温度较高，钛合金在钎焊高温过程中将发生相变，对钛合金母材带来伤害并影响钎焊接头的性能。
发明内容
为了克服现有技术中的缺点，可以向钛基钎料，即应用最广泛的Ti-Cu-Ni系合金中加入锆(Zr)，Zr可以与Ti无限固溶，并且Zr加入Ti中不会产生脆性相，因此，允许加入Zr的量较多。另外，Zr还是钛合金的主要强化元素之一，它可以在不明显降低钛合金塑性的情况下提高合金强度。因此，本发明之一提供了一种能够降低钎料熔化温度的钎料组分，其包括锆、铜、镍和钛。
经过发明人大量的研究发现，所述钎料的各个组分含量控制在一定的范围内，能够实现钎料较好的性能，即所述钎料包括10-20wt％的锆、10-20wt％的铜、10-20wt％的镍，以及余量的钛。优选所述钎料包括10-15wt％的锆、10-15wt％的铜、10-15wt％的镍，以及余量的钛。该钎料的熔化温度范围为830～880℃。
发明人在研究过程中，在上述钎料中加入镧时，出乎意料的发现钎料的润湿性得到了非常大的改善，尤其是当上述中钎料包括0.5-2.5wt％的镧时，钎料的润湿性达到了极好的状态。因此，在一个具体的实施方式中，钎料中还包括镧，特别是包括0.5-2.5wt％的镧，优选所述钎料包括1.0-1.5wt％的镧，钎料润湿性的改善能够大大提高钎料的铺展性能和填缝能力。
在一个优选的实施例中，钎料包括15wt％的锆、15wt％的铜、15wt％的镍、1.5wt％的镧，以及53.5wt％的钛。这时，钎料具有更好的润湿性，采用该钎料钎焊的街头组织更加致密连续，焊缝与母料达到了更好的冶金结合；同时，利用该钎料焊接的街头也具有较高的剪切强度，即达到了269.4MPa。总之，综合钎焊温度、钎料润湿性及钎焊接头的组织和性能，确定最优选的钎料为Ti-15Zr-15Cu-15Ni-1.5La钎料。
本发明之二还提供了一种钎焊产品，其包括用于焊接的如上所述的钎料。
本发明之三还提供了如上所述的钎料在焊接中的应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中部分钎料的润湿性试验(铺展面积)结果图。其采用数码相机拍照，将得到的照片导入CAD软件后，测得其润湿面积为26.04mm2。
图2为本发明实施例3中部分钎料的润湿性试验(铺展面积)结果图。其采用数码相机拍照，将得到的照片导入CAD软件后，测得其润湿面积为29.37mm2。
图3为本发明实施例6中部分钎料的润湿性试验(铺展面积)结果图。其采用数码相机拍照，将得到的照片导入CAD软件后，测得其润湿面积为50.24mm2。
图4为本发明实施例8中部分钎料的润湿性试验(铺展面积)结果图。其采用数码相机拍照，将得到的照片导入CAD软件后，测得其润湿面积为33.05mm2。
图5为采用扫描电子显微镜CS3400拍摄的本发明技术方案实施例3钎料(a)和实施例8钎料(b)钎焊钛合金的接头组织的照片。
图6钎焊接头的装配示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做以下详细说明。
实施例1
称取70.0质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、10质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、10质量份的纯度大于99.99％电解纯镍，以及10质量份的纯度大于99.99％的锆。
将称取的钎料原料置于氩气保护非自耗电弧炉中的水冷铜坩埚中。熔炼前，对炉内进行抽真空操作，抽真空至5×10-1Pa，然后冲氩气保护。熔炼试样时，为了保证钎料化学成分的均匀性，将水冷铜坩埚内的样品反复熔炼3-4次。电弧熔炼后得到钛合金块状钎料，采用电火花线切割方法将块状钎料加工成15mm×2mm×0.8mm尺寸的薄片状钎料。然后，采用400#SiC水砂纸打磨钎料，最终使得钎料各表面呈光亮状态，并用丙酮试剂进行超声清洗，从而得到本发明Ti-Zr-Cu-Ni钎料。
实施例2
称取62.0质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、15质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、10质量份的纯度大于99.99％电解纯镍，以及13质量份的纯度大于99.99％的锆。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例3
称取55.0质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、15质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、15质量份的纯度大于99.99％电解纯镍，以及15质量份的纯度大于99.99％的锆。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例4
称取47.0质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、15质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、20质量份的纯度大于99.99％电解纯镍，以及18质量份的纯度大于99.99％的锆。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例5
称取40.0质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、20质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、20质量份的纯度大于99.99％电解纯镍，以及20质量份的纯度大于99.99％的锆。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例6
称取69.5质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、10质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、10质量份的纯度大于99.99％电解纯镍、10质量份的纯度大于99.99％的锆，以及0.5质量份的纯度大于99.95％块状镧。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例7
称取62.0质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、15质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、10质量份的纯度大于99.99％电解纯镍、12质量份的纯度大于99.99％的锆，以及1.0质量份的纯度大于99.95％块状镧。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例8
称取53.5质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、15质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、15质量份的纯度大于99.99％电解纯镍、15质量份的纯度大于99.99％的锆，以及1.5质量份的纯度大于99.95％块状镧。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例9
称取45.5质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、15质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、20质量份的纯度大于99.99％电解纯镍、18质量份的纯度大于99.99％的锆，以及1.5质量份的纯度大于99.95％块状镧。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例10
称取38质量分的纯度大于99.95％的海绵钛、20质量份的纯度大于99.99％电解纯铜、20质量份的纯度大于99.99％电解纯镍、20质量份的纯度大于99.99％的锆，以及2.5质量份的纯度大于99.95％块状镧。
钎料的制备方法同实施例1。
实施例11
通过对钎料进行DSC测试，得出该钎料的熔化温度范围为830～880℃，可以看到，本发明钎料与Ti-Cu-Ni系钎料相比，熔点有较大降低。通过润湿角测定仪测试了钎料的润湿角。然后，结合钎料润湿行为确定钎焊工艺，进行钎焊实验。
实施例12
使用上述钎料进行钎焊的方法是：
(1)装配，利用夹具实现钛合金试件之间的搭接，装配间隙选取0.1mm，将薄片状钎料放置在钎料和母材受热较均匀的位置，且紧贴在母材上，尽可能使熔化的钎料在钎缝中依靠重力填满间隙，其装配示意图见图6；
(2)加热，将装配好的试件放入真空钎焊炉内抽真空，同时对电阻炉升温，加热到钎焊温度930～950℃，保温5min进行钛合金/钛合金接头的连接，保温，再随炉冷却至室温。
依据中华人民共和国国家标准GB/T 2651—2008/ISO 4136:2001，将各钎焊试样加工成标准拉伸试样，然后利用微控电子万能试验机对钎焊试样进行接头力学性能测试。
表1给出了本发明技术方案实施例钎焊钛合金/钛合金接头力学性能。可见，利用薄片状钎料在930～950℃温度下进行真空钎焊，得到钎焊试样接头，对应钎焊接头的室温剪切强度达到250～295MPa，并且由图5可知，采用Ti-15Zr-15Cu-15Ni-1.5La钎料钎焊的接头组织致密连续，焊缝与母材达到了良好的冶金结合。
表1
表2
表2给出了各种钎料成分对应的润湿角，润湿角越小，润湿性越好，从结果可知，添加La元素大大改善了钎料的润湿性能。同时，利用实施例8的钎料的钎焊接头也具有较高的剪切强度，达到了269.4MPa。
综合钎焊温度、钎料润湿性及钎焊接头的组织和性能，确定最优钎料为实施例8的Ti-15Zr-15Cu-15Ni-1.5La钎料。

Claims (9)

1.一种钎料，其包括锆、铜、镍和钛。
2.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述钎料包括10-20wt％的锆、10-20wt％的铜、10-20wt％的镍，以及余量的钛。
3.根据权利要求2所述的钎料，其特征在于，所述钎料包括10-15wt％的锆、10-15wt％的铜、10-15wt％的镍，以及余量的钛。
4.一种钎料，其包括如权利要求1-3任意一项所述的钎料，还包括镧。
5.根据权利要求4所述的钎料，其特征在于，所述钎料包括0.5-2.5wt％的镧。
6.根据权利要求5所述的钎料，其特征在于，所述钎料包括1.0-1.5wt％的镧。
7.根据权利要求6所述的钎料，其特征在于，所述钎料包括15wt％的锆、15wt％的铜、15wt％的镍、1.5wt％的镧，以及53.5wt％的钛。
8.一种钎焊产品，其包括用于焊接的如权利要求1-7任意一项所述的钎料。
9.如权利要求1-7任意一项所述的钎料在焊接中的应用。
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