CN109604865B

CN109604865B - 用于连接TiAl合金与Ni基高温合金的锆基钎料

Info

Publication number: CN109604865B
Application number: CN201811365932.0A
Authority: CN
Inventors: 孔见; 董可伟
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2038-11-16
Also published as: CN109604865A

Abstract

本发明公开了一种用于连接TiAl合金与Ni基高温合金的锆基钎料。该钎料配方包括如下组分：70wt%‑75wt%Zr、4wt%‑12wt%Al、12wt%‑18wt%Ni、3wt%‑8wt%Co、0.1‑0.5wt%Y和0.05wt%‑0.2wt%Nb；采用熔炼和甩带的方法，制备出厚度约40‑50μm，宽度约为10mm的非晶条带。所述成分获得的条带在较宽的过冷液相区范围内具有超塑性变形能力，能够使得中间层与母材的接触面积大大提高，利用本发明所提供的非晶条带作为中间层，所获得的焊接接头强度超过300Mpa。

Description

用于连接TiAl合金与Ni基高温合金的锆基钎料

技术领域

本发明涉及一种锆基钎料，属于工程材料领域。

背景技术

TiAl（Ti₃Al，TiAlNb）基金属间化合物合金具有密度低、弹性模量高、高温力学性能好和抗氧化等特点，可望在航空、航天和军工等领域获得广泛应用。尤其是作为导弹、飞船、超音速飞机和坦克等发动机的涡轮材料使用时，可大大提高发动机的工作性能和使用寿命。在作为发动机材料使用时，常常需要将钛铝与镍基高温合金连接起来，以充分发挥各自的优良性能。TiAl金属间化合物合金的焊接连接是随着TiAl合金的应用研究出现的一个新问题，从现有国内外发表论文情况来看，TiAl合金的连接技术涉及到熔焊(如弧焊、激光焊及电子束焊等)和固态焊接(如钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成及摩擦焊等)。熔焊时由于Ti与Al、Ni之间在物理和化学性质上的差异，使得接头容易生成金属间化合物脆性相从而使得接头强度不高，而固态焊接时一般需要较长的连接时间和较大的外加应力，这将会使得母材发生变形，从而影响接头强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种锆基钎料，所述的锆基钎料具有良好的韧性和相对较低的熔点，能够作为TiAl-Ni（如GH4049）连接时的中间层，提高接头的抗拉强度。

实现本发明目的的技术方案是：一种锆基钎料，所述钎料包括如下组分：

70wt%-75wt%Zr、4wt%-12wt%Al、12wt%-18wt%Ni、3wt%-8wt%Co、0.1-0.5wt%Y和0.01wt%-0.2wt%Nb。

进一步的，所述钎料的熔点为900±5℃。

上述的钎料制备方法，其步骤如下：将Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料在电弧熔炼炉中熔炼成一个金属锭子，采用快速冷却技术，甩带时将合金锭子在石英管中重新加热至熔融状态，再在气压差的作用下，将它喷到一个快速转动的铜轮上获得所述条带。

进一步的，Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料的纯度在99.95%以上。

进一步的，感应熔炼的真空度在10^-3以上，且至少熔炼3-4遍确保组织均匀，没有偏析。

进一步的，甩带采用感应加热的方式，所用的石英管的缝隙长10mm，宽0.5mm，所用感应电流为17-22A，内外气压差不低于0.05Mpa，干燥时间为1h。

进一步的，快速冷却技术采用的工艺参数如下：保护气体为氩气，气体压强控制在0.5-0.8MPa；喷射距离控制在2-3mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）利用所述成分获得的条带具有相对较低的熔点，良好的韧性，较大的过冷液相区。

（2）利用所述成分获得的条带在较宽的过冷液相区范围内具有超塑性变形能力，能够使得中间层与母材的接触面积大大提高。

（3）利用所述成分制备出的钎料，通过液相钎焊实现冶金结合，特别适用于钛铝金属间化合物与镍基高温合金的焊接连接。

具体实施方式

为进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的配方材料，以及在制备条带方法与应用上进行详细的描述。

本发明所述的用于TiAl和Ni基高温合金钎焊中的钎料配方，包括：71wt%-73wt%的Zr；4.7wt%~11wt%的Al；12.3wt%~18wt%的Ni；3.5wt%~6.7wt%的Co；0.2wt%~0.5wt%的Y以及0.05wt%-0.2wt%的Nb。

本发明中提供的配方材料包括Zr，所述的Zr具有耐磨、耐高温且与待焊母材互溶等优点。发明中Zr含量为71wt%-73wt%，优选在72wt%。

本发明中提供的配方材料包括Al，所述的Al能够促进中间层与母材的相互扩散，其含量为4.7wt%~11wt%，优选5wt%-8wt%。

本发明中提供的配方材料包括Ni，其含量为12.3wt%~18wt%，优选15wt%-17wt%。

本发明中提供的配方材料包括Co，所述的Co，与母材中的Ni同为铁磁性元素，根据相似相容原理，Co的加入将有利于中间层与母材的相互扩散。其含量为3.5wt%~6.7wt%，优选4-6wt%。

本发明中提供的配方材料包括Y，所述的Y元素能够增大合金体系的原子半径差，从而提高非晶合金的形成能力。其含量为0.2wt%~0.5wt%，优选在0.2-0.3wt%。

本发明中提供的配方材料包括Nb，所述的Nb元素能够提高非晶合金的形成能力。其含量为0.1wt%-0.2wt%，优选在0.1wt%。

本发明将Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb通过感应熔炼后，通过甩带法制备出一种非晶条带。在选取材料时，所述的Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb纯度都大于99.95%。

本发明提供的Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb配方材料制备出的非晶条带具有较低的熔点，在室温环境下有着良好强度和韧性。

本发明将Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料通过电弧熔炼后，通过甩带法制备出一种非晶条带。在选择材料时，所述的Zr、Al、Ni、Co、Y元素的纯度不低于99.95%。

本发明提供的Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb配方材料制备出的非晶条带具有较低的熔点，在室温环境下有着良好的韧性和强度，条带在较宽的一个过冷液相区内具有这超塑性变形能力，这对中间层与母材的机械接触阶段有着良好的促进作用。

本发明提供条带的制备方法，包括：将Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料在电弧熔炼炉中熔炼成一个金属锭子，采用快速冷却技术，将合金锭子在石英管中重新加热至熔融状态，再在气压差的作用下，将它喷到一个快速转动的铜轮上获得所述条带。甩带采用感应加热的方式，所用的试管的缝隙长10mm，宽0.5mm，所用感应电流为17-22A，内外气压差，气压差不低于0.05Mpa，快速冷却技术采用的工艺参数如下：保护气体为氩气，气体压强控制在0.5-0.8MPa；喷射距离控制在2-3mm。采用熔炼和甩带的方法，制备出厚度约40-50μm，宽度约为10mm的非晶条带。

钎焊时将得到的薄带（钎料）放在TiAl合金与Ni基合金中间，将装配好的样品放在真空热压炉中，在10^-3Pa的真空度下将温度以10℃/min升高到钎料熔点以上30℃-50℃，并保温5min-10min。

实施例1：

将纯度在99.95%以上的Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料按照72wt%的Zr；6.5wt%的Al；16.15%的Ni；5wt%的Co；0.25wt%的Y以及0.1wt%的Nb，通过电弧熔炼的方式将原材料熔炼成一块金属锭子，为确保组织均匀，熔炼次数要不低于3-4次。将得到的锭子放在石英管中通过感应加热的方式再将之加热到熔融状态，利用内外气压差将液态金属喷射到快速转动的铜轮上，最终得到非晶条带。熔炼以及甩带过程中的真空度都不低于10^-3Mpa，保护气体为氩气，甩带时的内外气压差为0.5Mpa。

得到的条带宽度为10mm，厚度为40um，钎焊时将得到的薄带放在TiAl合金与Ni基合金中间，将装配好的样品放在真空热压炉中，在10^-3Pa的真空度下将温度以10℃/min升高到850℃，并保温5min-10min。实验所获得的焊接接头强度可以达到310Mpa。

各实施例合金成分及其焊接接头强度见表1和表2。

表1 合金成分

实施例	成分
		1	72wt%Zr、6.5wt%Al、5wt%Co、16.15%Ni、0.25wt%Y、0.1wt%Nb
2	72wt%Zr、5.7wt%Al、6wt%Co、16wt%Ni、0.2wt%Y、0.1wt%Nb
		3	72wt%Zr、8wt%Al、4wt%Co、15.6wt%Ni、0.3wt%Y、0.1wt%Nb
4	72wt%Zr、6wt%Al、4.6wt%Co、17wt%Ni、0.3wt%Y、0.1wt%Nb
		5	71.8wt%Zr、6.6wt%Al、4.6wt%Co、16.7wt%Ni、0.2wt%Y、0.1wt%Nb
6	72.3wt%Zr、5.7wt%Al、6.7wt%Co、15wt%Ni、0.2wt%Y、0.1wt%Nb
		7	73wt%Zr、4.7wt%Al、4wt%Co、18wt%Ni、0.2wt%Y、0.1wt%Nb
8	72wt%Zr、6wt%Al、4.5wt%Co、17wt%Ni、0.35wt%Y、0.15wt%Nb
		9	72.5wt%Zr、7.5wt%Al、3.5wt%Co、16wt%Ni、0.3wt%Y、0.2wt%Nb
10	71wt%Zr、11wt%Al、5wt%Co、12.3wt%Ni、0.5wt%Y、0.2wt%Nb

表2 焊接接头强度

实施例	接头抗拉强度(MPa)
		1	310
2	311
		3	316
4	310
		5	300
6	290
		7	285
8	398
		9	295
10	288

。本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的工艺和成分，而得到的其它成分设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锆基钎料，其特征在于，该钎料配方包括如下组分：70wt%-75wt%Zr、4wt%-12wt%Al、12wt%-18wt%Ni、3wt%-8wt%Co、0.1-0.5wt%Y和0.05wt%-0.2wt%Nb。

2.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Zr含量为71wt%-73wt%。

3.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Zr含量为72wt%。

4.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Al含量为4.7wt%~11wt%。

5.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Al含量为5wt%-8wt%。

6.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Ni含量为12.3wt%~17wt%。

7.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Ni含量为15wt%-17wt%。

8.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Co含量为3.5wt%~6.7wt%。

9.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Co含量为4 wt%-6wt%。

10.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Y含量为0.2wt%~0.5wt%。

11.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Y含量为0.3wt%。

12.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Nb含量为0.1wt%-0.2wt%。

13.如权利要求1所述的钎料，其特征在于，Nb含量为0.15wt%。

14.如权利要求1-13任一所述的钎料，其特征在于，所述钎料的熔点为900±5℃。

15.如权利要求1-13任一所述的钎料，其特征在于，所述钎料用于连接TiAl合金与Ni基高温合金。

16.如权利要求1-15任一所述的锆基钎料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：将Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料在电弧熔炼炉中熔炼成金属锭子，采用快速冷却技术，甩带时将金属锭子在石英管中重新加热至熔融状态，再在气压差的作用下，将它喷到快速转动的铜轮上获得条带。

17.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，Zr、Al、Ni、Co、Y、Nb原材料的纯度在99.95%以上。

18.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，电弧熔炼的真空度在10^-3 MPa以上，且至少熔炼3-4遍确保组织均匀，没有偏析。

19.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，甩带采用感应加热的方式。

20.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，石英管的缝隙长10mm，宽0.5mm，甩带采用感应加热的方式，所用感应电流为17-22A，气压差不低于0.05Mpa。

21.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，快速冷却技术采用的工艺参数如下：保护气体为氩气；气体压强控制在0.5-0.8MPa；喷射距离控制在2-3mm。