CN105618958A - 用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料及制备方法，所选钎料以重量百分比计的元素成分包括：Cu25％～33％，Ti1.0％～3.5％，Ni3.0％～5.0％，Zr1.0％～2.2％，Mn3.5％～7.0％，余量为Ag。本发明的钎料对W-Cu复合材料和不锈钢具有良好的润滑性，熔化温度较低，钎料熔化均匀；采用本发明钎料连接W-Cu复合材料与不锈钢的真空活性钎焊工艺稳定可靠；真空条件下，构件在加热过程中处于真空状态，整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，利用活性元素(Ag、Cu、Ti、Ni、Zr)具有较强的扩散能力和界面反应能力，活性元素分布均匀，晶粒细密以及残余应力小，接头的整体强度高，塑性变形能力强；操作简单、方便快捷，可重复再现。

Description

用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料及方法
技术领域
本发明涉及用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料及方法，属于钎焊领域。
背景技术
W-Cu复合材料兼具了W和Cu的诸多性能，其具有良好的导电导热性，高的强度和硬度，低的热膨胀系数，良好的耐电弧侵蚀性、抗高温氧化性及抗熔焊性等优异特征。广泛应用于能源、国防工业、航空航天、以及核工业等领域，主要涉及炮轨导弹头、火箭发动机喷管喉衬、喷嘴和燃气舵等部件，是一种极具有发展前进的高温复合材料。不锈钢具有良好的耐腐蚀、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件及设备，应用领域十分广泛，其焊接性具有特殊性。在实际使用过程中，W-Cu复合材料常会出现高温抗氧化性差、低温韧性不足等问题，无法满足在高温及腐蚀环境中的持久使用，严重影响结构件的使用寿命和正常运作。为了进一步发挥W-Cu复合材料和不锈钢的优越性能，弥补其弱势缺陷；W-Cu复合材料与不锈钢连接成复合件，既可以充分发挥W-Cu复合材料的优良特征，又能展现不锈钢的优异性能，提高了连接构件的整体性能，具有重大的实用价值。
W-Cu复合材料与不锈钢连接时，其物理化学性能差异较大，严重影响两者的性能。而且W-Cu复合材料对气体杂质敏感性较大，以及易出现脆化物相和微孔，严重影响接头的气密性及承载能力。W-Cu复合材料与不锈钢焊接时，循环热载荷对W-Cu复合材料和不锈钢复合件产生不良影响，易出现焊合区晶粒粗大、组织脆化、残余应力、气体杂质污染和应力集中等现象，接头断裂倾向增大，焊缝金属力学性能降低。而组织结构变化和应力集中等问题是W-Cu复合材料与不锈钢焊接面临的重要问题。因此，以W-Cu复合材料和不锈钢的连接技术来制备复合件的方式迫在眉急。
对于W-Cu复合材料与不锈钢的连接而言，钎焊特别是真空活性钎焊技术适合性更好。同时采用一种性能优良和性价比高的填充材料，制定合理的焊接工艺是实现W-Cu复合材料与不锈钢异种材料连接的关键。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料及方法，钎料对W-Cu复合材料和不锈钢具有良好的润滑性，熔化温度较低，钎料熔化均匀。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料，所选钎料以重量百分比计的元素成分包括：Cu25％～33％，Ti1.0％～3.5％，Ni3.0％～5.0％，Zr1.0％～2.2％，Mn3.5％～7.0％，余量为Ag。
作为优选，所述钎焊用料由以下重量百分比的组分组成：Cu27％～33％，Ti1.0％～3.0％，Ni3.5％～4.5％，Zr1.2％～1.8％，Mn4.0％～6.0％，余量为Ag。
作为优选，所述钎料各组分质量百分比含量如下：Cu30％，Ti2.0％，Ni4.0％，Zr1.5％，Mn5.0％，余量为Ag。
作为优选，所述钎料为箔带状，厚度为100～150μm。
一种W-Cu复合材料与不锈钢的真空活性钎焊方法，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和不锈钢试样截面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑并具有一定的粗糙度，将W-Cu复合材料、不锈钢及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10～15min，并进行烘干处理待用；
(2)装配阶段：将清洗烘干后的钎料箔片置于不锈钢和W-Cu复合材料待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02～0.04MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15～20℃/min的速率升温至300～350℃，保温10～15min，再以8～12℃/min的速率升温至600～650℃，保温时间15～20min，再以4～6℃/min的速率继续升温至钎焊温度810～860℃，保温时间15～45min，再以4～6℃/min的速率冷却至600～650℃，通入氩气快速冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
本发明钎料的钎料熔化温度较低，钎料熔化均匀；利用活性元素(Ag、Cu、Ti、Ni、Zr)较强的扩散能力和界面反应能力，活性元素分布均匀，接头晶粒细密以及残余应力小，接头的整体强度高，塑性变形能力强；提高了钎料与W-Cu复合材料不锈钢的固溶冶金反应；采用本发明的真空活性钎焊工艺，通过真空活性钎焊连接以及活性元素的扩散作用，焊件在加热过程中处于真空状态中，焊件无变形和晶粒粗化的现象，不会出现氧化、污染等问题；利用真空活性钎焊工艺稳定可靠，操作简单、方便快捷，可重复再现，真空活性钎焊过程无须添加钎剂以及保护措施，便于推广与应用，接头润湿铺展性较好，钎料充分填充钎缝，提高了接头的综合性能，可获得性能优异的钎焊接头。
一种用于W-Cu复合材料与不锈钢的活性钎料，加入一定量的Mn元素适当的降低了钎料的熔化温度，促进了钎焊接头固溶反应以及界面的结合能力，有利于增加焊接街头的强度和韧性，则Mn的加入以4.0％～6.0％为宜，含量过低降熔效果不明显，过高则使熔融钎料润湿性能降低，不利于钎料的流动和铺张；加入适量的Zr元素促进了与W-Cu复合材料和不锈钢的冶金反应，有利于细化晶粒和提高钎料的高温性能；Ni的添加促进了钎料的润湿性以及接头强度，同时提高了抗氧化性和耐蚀性；适量Ti有利于细化晶粒和固溶强化，降低接头的弹性模量，缓解接头的残余应力，提高钎料合金的强度；大量的Ag、Cu促进钎料合金元素的扩散和反应，有利于促进与W-Cu复合材料和不锈钢界面的固溶冶金反应，提高接头的塑性和强度；利用活性元素(Ag、Cu、Ti、Ni、Zr)作为填充钎料以及采用真空活性钎焊工艺提高了连接接头的综合性能以及整体结构的使用性能。
有益效果：本发明的钎料对W-Cu复合材料和不锈钢具有良好的润滑性，熔化温度较低，钎料熔化均匀；采用本发明钎料连接W-Cu复合材料与不锈钢的真空活性钎焊工艺稳定可靠；真空条件下，构件在加热过程中处于真空状态，整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，利用活性元素(Ag、Cu、Ti、Ni、Zr)具有较强的扩散能力和界面反应能力，活性元素分布均匀，晶粒细密以及残余应力小，接头的整体强度高，塑性变形能力强；操作简单、方便快捷，可重复再现，真空活性钎焊过程无须添加钎剂以及保护措施，便于推广与应用。
附图说明
图1为具体实施方式1～3的真空活性钎焊工艺曲线；
图2为具体实施2得到的钎焊接头的扫描电镜照片；
图3为具体实施2得到的钎焊接头的弯曲断口微观形貌照片；
图4为具体实施2得到的钎焊接头的不同放大倍数的弯曲断口微观形貌照片。
具体实施方式
实施例1
W-Cu复合材料(W55Cu45，wt％)与1Cr18Ni9不锈钢对接接头真空活性钎焊：W-Cu复合材料和不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。
钎料的成分及质量百分比配比为：Cu33％、Ti1.0％、Ni5％、Zr1.0％、Mn7.0％，余量为Ag，钎料箔片厚度为150μm。
钎焊工艺如图1所示，具体步骤为：
(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和1Cr18Ni9不锈钢试样截面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑并具有一定的粗糙度，将W-Cu复合材料、不锈钢及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，并进行烘干处理待用；
(2)装配阶段：将清洗烘干后的钎料箔片置于不锈钢和W-Cu复合材料待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以20℃/min的速率升温至300℃，保温10min，再以12℃/min的速率升温至650℃，保温时间15min，再以6℃/min的速率继续升温至钎焊温度810℃，保温时间45min，再以4℃/min的速率冷却至650℃，通入氩气快速冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无裂纹、气孔和夹杂等缺陷生成，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为584MPa，断口形貌为延性断裂特征。
实施例2：
W-Cu复合材料(W55Cu45，wt％)与1Cr18Ni9不锈钢对接接头真空活性钎焊：W-Cu复合材料和不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。
钎料的成分及质量百分比配比为：钎料的成分及质量百分比配比为：Cu30％、Ti2.0％、Ni4.0％、Zr1.5％、Mn5.0，余量为Ag，钎料箔片厚度为120μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和不锈钢试样截面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑并具有一定的粗糙度，将W-Cu复合材料、不锈钢及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行烘干处理待用；
(2)装配阶段：将清洗烘干后的钎料箔片置于不锈钢和W-Cu复合材料待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.03MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以18℃/min的速率升温至350℃，保温15min，再以10℃/min的速率升温至600℃，保温时间20min，再以5℃/min的速率继续升温至钎焊温度840℃，保温时间30min，再以5℃/min的速率冷却至600℃，通入氩气快速冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无裂纹、气孔和夹杂等缺陷生成，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为615MPa，断口形貌为延性断裂特征，钎焊接头的扫描电镜照片如图2所示，钎焊接头的弯曲断口微观形貌照片如图3和图4所示。
实施例3：
W-Cu复合材料(W55Cu45，wt％)与1Cr18Ni9不锈钢对接接头真空活性钎焊：W-Cu复合材料和不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。
钎料的成分及质量百分比配比为：Cu27％、Ti3.0％、Ni3.5％、Zr1.8％、Mn4.0，余量为Ag。钎料箔片厚度为100μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和不锈钢试样截面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑并具有一定的粗糙度，将W-Cu复合材料、不锈钢及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10～15min，并进行烘干处理待用；
(2)装配阶段：将清洗烘干后的钎料箔片置于不锈钢和W-Cu复合材料待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至350℃，保温10min，再以12℃/min的速率升温至600℃，保温时间20min，再以4℃/min的速率继续升温至钎焊温度860℃，保温时间15min，再以6℃/min的速率冷却至600℃，通入氩气快速冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无裂纹、气孔和夹杂等缺陷生成，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为598MPa，断口形貌为延性断裂特征。
实施例4：
W-Cu复合材料(W55Cu45，wt％)与1Cr18Ni9不锈钢对接接头真空活性钎焊：W-Cu复合材料和不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。
钎料的成分及质量百分比配比为：Cu25％、Ti3.5％、Ni3％、Zr2.2％、Mn3.5，余量为Ag，钎料箔片厚度为100μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和不锈钢试样截面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑并具有一定的粗糙度，将W-Cu复合材料、不锈钢及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10～15min，并进行烘干处理待用；
(2)装配阶段：将清洗烘干后的钎料箔片置于不锈钢和W-Cu复合材料待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至350℃，保温10min，再以12℃/min的速率升温至600℃，保温时间20min，再以4℃/min的速率继续升温至钎焊温度860℃，保温时间15min，再以6℃/min的速率冷却至600℃，通入氩气快速冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无裂纹、气孔和夹杂等缺陷生成，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为591MPa，断口形貌为延性断裂特征。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料，其特征在于：所选钎料以重量百分比计的元素成分包括：Cu25％～33％，Ti1.0％～3.5％，Ni3.0％～5.0％，Zr1.0％～2.2％，Mn3.5％～7.0％，余量为Ag。
2.根据权利要求1所述的用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料，其特征在于：所述钎焊用料由以下重量百分比的组分组成：Cu27％～33％，Ti1.0％～3.0％，Ni3.5％～4.5％，Zr1.2％～1.8％，Mn4.0％～6.0％，余量为Ag。
3.根据权利要求2所述的用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料，其特征在于：所述钎料各组分质量百分比含量如下：Cu30％，Ti2.0％，Ni4.0％，Zr1.5％，Mn5.0％，余量为Ag。
4.根据权利要求1所述的用于W-Cu复合材料与不锈钢真空活性钎焊工艺的钎料，其特征在于：所述钎料为箔带状，厚度为100～150μm。
5.一种W-Cu复合材料与不锈钢的真空活性钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和不锈钢试样截面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑并具有一定的粗糙度，将W-Cu复合材料、不锈钢及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10～15min，并进行烘干处理待用；
(2)装配阶段：将清洗烘干后的钎料箔片置于不锈钢和W-Cu复合材料待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02～0.04MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15～20℃/min的速率升温至300～350℃，保温10～15min，再以8～12℃/min的速率升温至600～650℃，保温时间15～20min，再以4～6℃/min的速率继续升温至钎焊温度810～860℃，保温时间15～45min，再以4～6℃/min的速率冷却至600～650℃，通入氩气快速冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
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