CN109014549B - 一种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法 - Google Patents

一种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法 Download PDF

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Abstract

一种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，本发明是涉及连接镍基高温合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的方法。方法：将镍基高温合金及Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，并进行打磨、抛光处理；对铜箔和Ti箔进行去除氧化膜处理，并连同被焊母材放入丙酮中超声清洗；将铜箔与镍基高温合金接触，钛箔与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金接触，得到结构为Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金的被焊试验件，把被焊工件放入真空加热炉中，施加压力，经加热、保温、冷却热循环后完成焊接。本发明可以降低焊接温度，控制接头中的脆性相的形成，改善接头性能。获得的接头室温抗剪强度达到240～310MPa。

Description

一种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法
技术领域
本发明是一种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，属于焊 接技术领域。
背景技术
钛铝金属间化合物具有密度低，高的比强度、比刚度，良好的抗氧化性， 抗蠕变、抗疲劳性能好等优点，是未来最具应用潜力的航空航天用轻质高温结 构材料之一。在钛铝金属间化合物中，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的研究受到 重视，其工作温度可以达到700℃。与普通钛合金相比，Ti2AlNb合金或Ti3Al 基合金可以在更高的温度下服役；与镍基高温合金相比，它们有较低的密度， 大约是镍基高温合金的一半。在汽车工业领域，可利用Ti2AlNb合金或Ti3Al 基合金低密高强的特点，实现零部件的轻量化设计与制造；在航空航天领域， 利用Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金部分替代镍基高温合金，可实现构件减重约40％，对提高航空发动机的推重比和航天飞行器的有效射程及有效发射载荷具 有重要意义。
为了实现Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金部分替代镍基高温合金，进而推广其 在航空航天领域的工程应用，必须首先解决Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金与镍基 高温合金的异种连接问题。但这两类材料的物理性能和化学成分差异大，母材 化学成分的差异导致难以找到与两种母材同时具有良好相容性的焊料，接头中 难以避免脆性化合物的形成；两种母材的热膨胀系数存在较大差异，容易在接 头中产生一定的残余热应力，进而形成裂纹，导致接头性能恶化；元素Ti与 Ni之间具有较强的亲和力，极易发生反应生成Ti2Ni、TiNi、Ti3Ni等多种Ti-Ni 系金属间化合物，这些脆性相会严重恶化接头的力学性能。要实现Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金与镍基高温合金的异种连接非常困难，采用常规的熔焊方法 难以实现连接，因此通常采用钎焊、扩散焊等特种连接方法。
有研究人员采用NiCuNbCr合金、Ti37～39-Nb合金、Ti-7.3～9.3Nb-51.5～54.5Ni(wt.％)合金为焊料，研究了Ti3Al基合金与GH4169镍基高温合金的氩弧焊连接，但 接头中形成了较多的Ni-Ti系、Al-(Ni,Cu)-Ti系脆性化合物，并在接头中发现 了微裂纹，接头室温抗拉强度只有200MPa(陈冰清，熊华平，郭绍庆，等. NiCuNbCr焊料Ti3Al/GH4169合金氩弧焊接头的组织及性能[J].材料工程， 2014，4：13-18.)。陈波等以Ti-13Zr-21Cu-9Ni(wt.％)钎料钎焊了Ti3Al基合金 与GH536镍基高温合金，接头中形成较多的Ti-Ni、Ti-Fe等脆性化合物，导致 在靠近GH536基体侧的钎缝中形成纵向裂纹，严重恶化了接头性能，在 960℃/5min规范下接头抗剪强度只有86MPa(陈波，熊华平，毛唯，等.采用 Ti-Zr-Cu-Ni真空钎焊Ti3Al/Ti3Al和Ti3Al/GH536接头组织及性能[J].航空材料 学报，2010，30(5)：35-38.)。
以Mo箔为中间层来扩散连接Ti2AlNb合金与GH4169高温合金时，无法 得到完整接头，以Ta、Nb做中间层时可以形成完整接头，但在GH4169界面 处出现了裂纹(钱锦文，侯金保，李京龙，等.Ti2AlNb/GH4169真空扩散连接 初步研究[J].热加工工艺，2008，37(13)：90-92)；任海水等以Ni箔和Ti-Ni-Nb 合金为中间层研究了Ti3Al基合金与GH536镍基高温合金的扩散焊，在980℃ /20min/20MPa规范下获得的接头抗剪强度约为210MPa，接头强度有待提高(H. S.Ren,X.Wu,B.Chen,et al.Microstructures and mechanical propertiesof Ti3Al/Ni-basedsuperalloy joints diffusion bonded with Ni and TiNiNb foils，Welding in the World,2017,61:375-381)。专利(CN101352772A)发明了一种 扩散连接TiAl/Nb基合金与Ni基高温合金的方法，该专利所述方法中，焊接温 度达到1100℃，压力最大30MPa，保温时间在60～120min。由于Ti2AlNb合金 或Ti3Al基合金的固溶处理温度大约在980℃～1020℃的范围内，该专利中如此 高的焊接温度和保温时间，很可能会损害Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金母材的组 织和性能，良好接头性能的获得不能以牺牲母材的性能为代价。
上述是关于镍基高温合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金连接的主要研究进 展，目前国内外关于该领域的研究报道还比较有限。如上所述，由于两种母材 在成分及性能方面存在很大的差别，接头中容易引起内应力，并形成脆性化合 物。如果能够使被焊母材在较低温下短时保温连接，就可以在一定程度上抑制 金属间化合物的形成和长大，进而降低接头脆性倾向。另外，较低的焊接温度 还可降低因母材热膨胀系数差异而引起的内应力，从而实现两种材料的良好连 接，获得高的连接强度。并降低焊接热循环对母材，尤其是Ti2AlNb合金或Ti3Al 基合金组织和性能的影响。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种采用Cu箔 和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，其目的是在焊接温度不超过1000℃、 保温时间不超过30分钟的条件下，实现镍基高温合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al 基合金良好连接，接头抗剪强度超过300MPa，同时避免焊接热循环对Ti2AlNb 合金或Ti3Al基合金母材的组织和性能造成不良影响。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
该种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，该方法的步骤如 下：
步骤一、采用线切割将镍基高温合金及Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金加工成 所需的尺寸，用砂纸打磨被焊母材的待焊面，然后进行抛光处理，得到被焊母 材；
步骤二、对厚度为10～30μm的铜箔进行去除氧化膜处理，对厚度30～50μm 的钛箔进行去除氧化膜处理，得到扩散焊用中间层；
步骤三、将处理后的被焊母材、铜箔和Ti箔放入丙酮中超声清洗3～10min；
步骤四、将铜箔贴覆在镍基高温合金的待焊面上，将钛箔贴覆在Ti2AlNb 合金或Ti3Al基合金的待焊面上，得到结构为Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金/钛箔 /铜箔/镍基高温合金的被焊工件；
步骤五、把被焊工件放于真空加热炉中，并施加5～15MPa的压力，当真 空加热炉中的真空度达到9×10-2～1×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为5～ 15℃/min，加热至850℃～1000℃时在该温度下保温10～30min，再以5～10℃ /min的速度冷却到400℃～500℃，随后炉冷至室温，即完成镍基高温合金与 Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的异种连接。
进一步，采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液对铜箔进行去除氧化膜处 理，腐蚀时间30～60s。
进一步，采用体积比为1∶3∶21的HF、HNO3、H2O溶液对钛箔进行去除 氧化膜处理，腐蚀时间30～60s。
进一步，步骤二中所用铜箔的厚度为20μm和钛箔的厚度为30μm。
进一步，步骤五中施加10MPa的压力。
进一步，步骤五中，当真空加热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加 热。
进一步，步骤五中的加热速率为10℃/min。
进一步，步骤五中，加热至900℃时开始保温，保温时间20min。
进一步，步骤五中以6℃/min的速度冷却，冷却到400℃后随炉冷却至室温。
本发明技术方案具有如下优点：
(1)前期的试验结果显示，元素Ti容易与镍基高温合金反应，形成较为 复杂的多元物相，对接头性能造成不良影响。本发明的技术方案，将钛箔置于 Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金一侧，利用铜箔将钛箔与镍基高温合金隔开，采用 “Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金”的接头结构，可以避 免形成复杂多元物相。另外，Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金中主要元素是Ti，其 会与钛箔充分互溶；元素Cu与Ni完全互溶，所以铜箔可以与镍基高温合金形 成良好连接。本发明中Cu/Ti复合中间层的选择，充分考虑了两种母材的特征 以及元素之间的相容性。
(2)如前所述，在进行镍基高温合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的连 接时，接头中容易形成残余热应力和脆性化合物。本发明提出利用Cu/Ti复合 中间层进行两种材料的扩散连接，铜箔与镍基高温合金之间、钛箔与Ti2AlNb 合金或Ti3Al基合金之间，都是发生相容性反应，可明显降低化合物的形成倾 向，有利于获得良好连接；同时，铜箔与钛箔之间也容易发生反应。因此，降 低了对焊接规范的要求，两种母材可以在相对低的温度下(不超过1000℃)， 进行短时(不超过30min)保温即可实现良好连接。此外，Ti2AlNb合金或Ti3Al 基合金的固溶处理温度大约在980℃～1020℃的范围内，相对低的焊接温度可避 免或降低焊接热循环对母材组织和性能造成不良影响。
(3)本发明所用的铜箔和钛箔都较薄(10～50μm)，可以保证连接过程中 充分参与反应，焊接后无残留铜箔或钛箔存在，可避免纯金属层损坏接头性能；
(4)在本发明技术方案中，通过进一步调整并控制铜箔与钛箔、铜箔与镍 基高温合金的反应程度，可使两种金属箔充分参与反应，同时抑制或避免钛箔、 Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金与镍基高温合金的直接反应，控制接头中硬脆物相 的存在，得到较好的接头组织，本发明获得镍基高温合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al 基合金的异种接头室温抗拉强度达到240～310MPa。
(5)由于铜箔和钛箔表面的氧化膜会对焊接界面造成不良影响，在本发明 技术方案中，采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液和体积比为1∶3∶21的 HF、HNO3、H2O溶液可分别有效去除铜箔和钛箔表面的氧化膜，同时避免对 很薄的铜箔和钛箔造成损坏；
当真空加热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加热，可有效避免升温 过程中造成铜箔和钛箔的再次氧化；
由于两种被焊母材的热膨胀系数存在较大差异，焊后较快的冷却速度会使 接头中产生很大的内应力，进而导致微裂纹萌生，在本发明的技术方法中，保 温结束后控制降温速率，当接头以6℃/min的降温速率冷却时，能有效减少接 头中的内应力，有利于保证接头性能。
具体实施方式
实施例一，以铜箔和钛箔作为复合中间层对镍基高温合金与Ti3Al基合金 进行扩散焊接，该焊接过程如下：
步骤一、采用线切割将镍基高温合金及Ti3Al基合金加工成所需的尺寸， 用砂纸打磨被焊母材的待焊面，然后进行抛光处理，得到被焊母材；
步骤二、采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液对厚度为30μm的铜箔进 行去除氧化膜处理，腐蚀时间30s，采用体积比为1∶3∶21的HF、HNO3、H2O 溶液对厚度为40μm的钛箔进行去除氧化膜处理，腐蚀时间50s，得到扩散焊用 中间层；
步骤三、将处理后的被焊母材、铜箔和Ti箔放入丙酮中超声清洗10min；
步骤四、将铜箔贴覆在镍基高温合金的待焊面上，将钛箔贴覆在Ti3Al基 合金的待焊面上，得到结构为Ti3Al基合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金的被焊工 件；
步骤五、把被焊工件放于真空加热炉中，并施加10MPa的压力，当真空加 热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为10℃/min，加热至 900℃时在该温度下保温20min，再以5℃/min的速度冷却到500℃，随后炉冷 至室温，即完成镍基高温合金与Ti3Al基合金的异种连接。
获得的Ti3Al/GH536镍基高温合金扩散焊接头的显微组织照片，连接界面 形成了良好的冶金结合，无任何缺陷，而且Ti3Al基合金母材组织未受焊接热 循环的影响。
实施例二，以铜箔和钛箔作为复合中间层对镍基高温合金与Ti3Al基合金 进行扩散焊接，该焊接过程如下：
步骤一、采用线切割将镍基高温合金及Ti3Al基合金加工成所需的尺寸， 用砂纸打磨被焊母材的待焊面，然后进行抛光处理，得到被焊母材；
步骤二、采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液对厚度为20μm的铜箔进 行去除氧化膜处理，腐蚀时间20s，采用体积比为1∶3∶21的HF、HNO3、H2O 溶液对厚度为30μm的钛箔进行去除氧化膜处理，腐蚀时间30s，得到扩散焊用 中间层；
步骤三、将处理后的被焊母材、铜箔和Ti箔放入丙酮中超声清洗10min；
步骤四、将铜箔贴覆在镍基高温合金的待焊面上，将钛箔贴覆在Ti3Al基 合金的待焊面上，得到结构为Ti3Al基合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金的被焊工 件；
步骤五、把被焊工件放于真空加热炉中，并施加8MPa的压力，当真空加 热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为10℃/min，加热至 900℃时在该温度下保温10min，再以5℃/min的速度冷却到400℃，随后炉冷 至室温，即完成镍基高温合金与Ti3Al基合金的异种连接。
实施例三，以铜箔和钛箔作为复合中间层对镍基高温合金与Ti2AlNb合金 进行扩散焊接，该焊接过程如下：
步骤一、采用线切割将镍基高温合金及Ti2AlNb合金加工成所需的尺寸， 用砂纸打磨被焊母材的待焊面，然后进行抛光处理，得到被焊母材；
步骤二、采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液对厚度为20μm的铜箔进 行去除氧化膜处理，腐蚀时间20s，采用体积比为1∶3∶21的HF、HNO3、H2O 溶液对厚度为30μm的钛箔进行去除氧化膜处理，腐蚀时间30s，得到扩散焊用 中间层；
步骤三、将处理后的被焊母材、铜箔和Ti箔放入丙酮中超声清洗10min；
步骤四、将铜箔贴覆在镍基高温合金的待焊面上，将钛箔贴覆在Ti2AlNb 合金的待焊面上，得到结构为Ti2AlNb合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金的被焊工 件；
步骤五、把被焊工件放于真空加热炉中，并施加8MPa的压力，当真空加 热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为10℃/min，加热至 900℃时在该温度下保温10min，再以5℃/min的速度冷却到400℃，随后炉冷 至室温，即完成镍基高温合金与Ti2AlNb合金的异种连接。
实施例四，以铜箔和钛箔作为复合中间层对镍基高温合金与Ti2AlNb合金 进行扩散焊接，该焊接过程如下：
步骤一、采用线切割将镍基高温合金及Ti2AlNb合金加工成所需的尺寸， 用砂纸打磨被焊母材的待焊面，然后进行抛光处理，得到被焊母材；
步骤二、采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液对厚度为30μm的铜箔进 行去除氧化膜处理，腐蚀时间30s，采用体积比为1∶3∶21的HF、HNO3、H2O 溶液对厚度为40μm的钛箔进行去除氧化膜处理，腐蚀时间40s，得到扩散焊用 中间层；
步骤三、将处理后的被焊母材、铜箔和Ti箔放入丙酮中超声清洗10min；
步骤四、将铜箔贴覆在镍基高温合金的待焊面上，将钛箔贴覆在Ti2AlNb 合金的待焊面上，得到结构为Ti2AlNb合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金的被焊工 件；
步骤五、把被焊工件放于真空加热炉中，并施加15MPa的压力，当真空加 热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为10℃/min，加热至 980℃时在该温度下保温10min，再以8℃/min的速度冷却到500℃，随后炉冷 至室温，即完成镍基高温合金与Ti2AlNb合金的异种连接。

Claims (6)

1.一种采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，该方法的步骤如下：
步骤一、采用线切割将镍基高温合金及Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金加工成所需的尺寸，用砂纸打磨被焊母材的待焊面，然后进行抛光处理，得到被焊母材；
步骤二、对厚度为10～30μm的铜箔进行去除氧化膜处理，对厚度30～50μm的钛箔进行去除氧化膜处理，得到扩散焊用中间层；
采用体积比为1∶9的HNO3、H2O溶液对铜箔进行去除氧化膜处理，腐蚀时间30～60s；
采用体积比为1∶3∶21的HF、HNO3、H2O溶液对钛箔进行去除氧化膜处理，腐蚀时间30～60s；
步骤三、将处理后的被焊母材、铜箔和Ti箔放入丙酮中超声清洗3～10min；
步骤四、将铜箔贴覆在镍基高温合金的待焊面上，将钛箔贴覆在Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的待焊面上，得到结构为Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金/钛箔/铜箔/镍基高温合金的被焊工件；
步骤五、把被焊工件放于真空加热炉中，并施加5～15MPa的压力，当真空加热炉中的真空度达到9×10-2～1×10-3Pa后开始通电加热，加热速率为5～15℃/min，加热至850℃～1000℃时在该温度下保温10～30min，再以6℃/min的速度冷却到400℃，随后炉冷至室温，即完成镍基高温合金与Ti2AlNb合金或Ti3Al基合金的异种连接。
2.根据权利要求1所述的采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤二中所用铜箔的厚度为20μm和Ti箔的厚度为30μm。
3.根据权利要求1所述的采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤五中施加10MPa的压力。
4.根据权利要求1所述的采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤五中，当真空加热炉中的真空度达到1×10-3Pa后开始通电加热。
5.根据权利要求1所述的采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤五中的加热速率为10℃/min。
6.根据权利要求1所述的采用Cu箔和Ti箔作复合中间层的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤五中，加热至900℃时开始保温，保温时间20min。
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