CN106270889A - 一种添加泡沫铜中间层改善tc4与陶瓷钎焊性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，本发明涉及改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。本发明要解决现有TC4钎焊过程中陶瓷侧极易生成连续的脆性化合物反应层，以及因陶瓷与TC4热胀系数相差大而导致接头残余应力较大，造成接头力学性能差的问题。方法：将钛合金TC4、钎料箔片、陶瓷、钎料箔片及泡沫铜进行预处理，然后依次叠放，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，抽真空，并在高温下保温，最后冷却至室温，即完成添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。本发明用于一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。

Description

一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法
技术领域
本发明涉及改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。
背景技术
TC4(Ti-6Al-4V)于1954年首先研制成功，现在已经发展成为世界各国通用的钦合金。作为一种广泛用于航空航天的钛合金材料，它属于α+β型两相钛合金，具有优异的综合性能，易于焊接、锻造和切削加工，通过热处理后可使其抗拉强度高达1173MPa。此外它还具有很好的室温强度和高温耐热性能，主要用于制作飞机的蒙皮、压气机盘、叶片及航天发动机用燃料储存罐等重要的受力复杂的零部件。作为目前应用最广泛的一种α+β型钛合金，由于具有较高强度及较好的塑性，在新型歼击机中钛合金用量增加到40％，TC4的大量应用对提高发动机的推重比，提高飞机的飞行速度和战斗特性都起到了特别重要的作用。
然而在航天航空等领域，还需要材料具有优良的抗热冲击性能、优异的透波性能、较小的介电常数和介电损耗、高的化学稳定性等以获得防热、承载和透波等功能，TC4并不能完全满足要求，因此，常常需将TC4与具有上述性能的陶瓷连接在一起使用。
钎焊是一种广泛用于连接陶瓷与金属材料的方法，其具有变形小、可靠性高的优点。然而陶瓷与TC4合金钎焊接头的力学性能并不理想，主要是因为从TC4侧扩散溶解的过多活性Ti在焊缝处形成块状、分散不均匀的脆性界面化合物，影响接头焊接质量，并且陶瓷与TC4合金热膨胀系数的显著差异，导致钎焊接头存在明显的残余应力，降低接头力学性能。因此，控制Ti元素的扩散，改善焊缝产物及其分布，并减小接头的残余应力是改善陶瓷与TC4合金钎焊性能亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决现有TC4钎焊过程中陶瓷侧极易生成连续的脆性化合物反应层，以及因陶瓷与TC4热胀系数相差大而导致接头残余应力较大，造成接头力学性能差的问题，而提供一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。
一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法是按照以下步骤进行的：
一、将钛合金TC4与钎料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂纸打磨，然后用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的钛合金TC4和去除表面杂质的钎料箔片；将陶瓷用800目砂纸打磨并用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的陶瓷；
二、将泡沫铜用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的泡沫铜；
三、将去除表面杂质的钛合金TC4、去除表面杂质的钎料箔片、去除表面杂质的泡沫铜、去除表面杂质的钎料箔片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温1min～20min，然后以降温速度为2℃/min～10℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温，即完成添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。
本发明一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法基本原理：泡沫Cu由于独特的三维结构可以优化在焊缝形成的界面化合物的分布；泡沫Cu可以消耗来自TC4的Ti，有效抑制陶瓷和Ti元素发生的反应在陶瓷侧形成连续的脆性化合物；在钎焊过程中生成的原位细小的Ti-Cu金属间化合物，呈弥散分布，有着显著的强化作用，其可以缓解接头残余应力以及在接头中形成良好的应力过渡。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过Cu元素的加入，有效抑制陶瓷与Ti反应在陶瓷侧形成连续脆性化合物，加入的Cu与Ti形成Ti-Cu金属间化合物，可显著改善焊缝处生成的反应产物。
2、本发明通过泡沫Cu的三维结构，促进元素的扩散，使焊缝处的反应产物均匀弥散分布，可有效缓解焊缝处的残余应力，显著提高钎焊接头的力学性能。
3、本发明的方法只简单地加入泡沫铜中间层，操作简单，高效，低成本，便于工业化生产，在TC4与陶瓷钎焊领域具有良好的应用前景。
本发明用于一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。
附图说明
图1为实施例一制备的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷钎焊接头的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法是按照以下步骤进行的：
一、将钛合金TC4与钎料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂纸打磨，然后用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的钛合金TC4和去除表面杂质的钎料箔片；将陶瓷用800目砂纸打磨并用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的陶瓷；
二、将泡沫铜用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的泡沫铜；
三、将去除表面杂质的钛合金TC4、去除表面杂质的钎料箔片、去除表面杂质的泡沫铜、去除表面杂质的钎料箔片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温1min～20min，然后以降温速度为2℃/min～10℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温，即完成添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。
本实施方式泡沫铜作为中间层，因其铜元素的加入，改变了钎焊过程中铜元素的比例，从而促进了Ti元素与Cu元素的结合，消耗Ti元素从而减少脆性Ti化合物的生成。由于泡沫铜具有三维中空结构，可使焊缝生成产物分布更均匀，且能够有效减缓接头残余应力。从而获得高质量的钎焊接头。
本实施方式的有益效果是：1、本实施方式通过Cu元素的加入，有效抑制陶瓷与Ti反应在陶瓷侧形成连续脆性化合物，加入的Cu与Ti形成Ti-Cu金属间化合物，可显著改善焊缝处生成的反应产物。
2、本实施方式通过泡沫Cu的三维结构，促进元素的扩散，使焊缝处的反应产物均匀弥散分布，可有效缓解焊缝处的残余应力，显著提高钎焊接头的力学性能。
3、本实施方式的方法只简单地加入泡沫铜中间层，操作简单，高效，低成本，便于工业化生产，在TC4与陶瓷钎焊领域具有良好的应用前景。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的陶瓷为SiO2f/SiO2复合陶瓷、Cf/C陶瓷、Cf/SiC陶瓷、SiO2-BN复合陶瓷、SiC陶瓷或Al2O3陶瓷。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或二之一不同的是：步骤一中所述的钎料箔片为AgCuTi钎料箔片、AgCu钎料箔片、TiCu钎料箔片、CuTi钎料箔片、CuNi钎料箔片、TiNiNb钎料箔片或TiCuNiZr钎料箔片。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的泡沫铜厚度为20μm～50μm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为860℃～900℃的条件下，保温1min～20min。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温5min～10min。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中然后以降温速度为2℃/min～5℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中在压强为2×10-3Pa及温度为910℃的条件下，保温9min。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中然后以降温速度为5℃/min，将温度由910℃冷却至室温。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中所述的泡沫铜厚度为30μm。其它与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为860℃的条件下，保温1min～20min。其它与具体实施方式一至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为900℃的条件下，保温1min～20min。其它与具体实施方式一至十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温5min。其它与具体实施方式一至十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温10min。其它与具体实施方式一至十三相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤三中然后以降温速度为2℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温。其它与具体实施方式一至十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：步骤三中然后以降温速度为10℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温。其它与具体实施方式一至十五相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法是按照以下步骤进行的：
一、将钛合金TC4与钎料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂纸打磨，然后用丙酮超声预处理15min，得到去除表面杂质的钛合金TC4和去除表面杂质的钎料箔片；将陶瓷用800目砂纸打磨并用丙酮超声预处理15min，得到去除表面杂质的陶瓷；
所述的钛合金TC4尺寸为20mm×12mm×5mm；所述的钎料箔片尺寸为5mm×5mm；所述的陶瓷尺寸为5mm×5mm×4mm；
二、将泡沫铜用丙酮超声预处理15min，得到去除表面杂质的泡沫铜；
所述的泡沫铜厚度为30μm；
三、将去除表面杂质的钛合金TC4、去除表面杂质的钎料箔片、去除表面杂质的泡沫铜、去除表面杂质的钎料箔片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，在压强为2×10-3Pa及温度为910℃的条件下，保温9min，然后以降温速度为5℃/min，将温度由910℃冷却至室温，得到TC4-SiO2f/SiO2陶瓷钎焊接头，即完成添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法；
步骤一中所述的陶瓷为SiO2f/SiO2复合陶瓷；
步骤一中所述的钎料箔片为AgCuTi钎料箔片。
图1为实施例一制备的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷钎焊接头的扫描电镜图；由图可知，本实施例制备的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷钎焊接头结构致密，没有孔洞及裂纹缺陷，且对实施例一制备的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷钎焊接头进行测试，抗剪强度为43.2MPa。

Claims (10)

1.一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法是按照以下步骤进行的：
一、将钛合金TC4与钎料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂纸打磨，然后用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的钛合金TC4和去除表面杂质的钎料箔片；将陶瓷用800目砂纸打磨并用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的陶瓷；
二、将泡沫铜用丙酮超声预处理10min～20min，得到去除表面杂质的泡沫铜；
三、将去除表面杂质的钛合金TC4、去除表面杂质的钎料箔片、去除表面杂质的泡沫铜、去除表面杂质的钎料箔片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温1min～20min，然后以降温速度为2℃/min～10℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温，即完成添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法。
2.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤一中所述的陶瓷为SiO2f/SiO2复合陶瓷、Cf/C陶瓷、Cf/SiC陶瓷、SiO2-BN复合陶瓷、SiC陶瓷或Al2O3陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤一中所述的钎料箔片为AgCuTi钎料箔片、AgCu钎料箔片、TiCu钎料箔片、CuTi钎料箔片、CuNi钎料箔片、TiNiNb钎料箔片或TiCuNiZr钎料箔片。
4.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤二中所述的泡沫铜厚度为20μm～50μm。
5.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为860℃～900℃的条件下，保温1min～20min。
6.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中在压强为1×10-4Pa～5×10-3Pa及温度为800℃～1200℃的条件下，保温5min～10min。
7.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中然后以降温速度为2℃/min～5℃/min，将温度由800℃～1200℃冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中在压强为2×10-3Pa及温度为910℃的条件下，保温9min。
9.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中然后以降温速度为5℃/min，将温度由910℃冷却至室温。
10.根据权利要求1所述的一种添加泡沫铜中间层改善TC4与陶瓷钎焊性能的方法，其特征在于步骤二中所述的泡沫铜厚度为30μm。
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