CN116352311A - 铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料及其制备方法,为Al‑Cu‑Si‑Sn‑Zn‑Mg系低熔点活性钎料,按质量分数由31~69%的Al、15~25%的Cu、5~15%的Si、5~15%的Sn、3~7%的Zn以及3~7%的Mg组成。还公布了其制备方法。本发明的目的在于提供一种高体积分数铝基复合材料与钛合金钎焊用Al‑Cu‑Si‑Sn‑Zn‑Mg系低熔点活性钎料及其制备方法,助力航空、航天和汽车等领域铝基复合材料与钛合金异种材料焊接构件的应用和发展。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料领域,尤其涉及一种铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料及其制备方法。
背景技术
航空、航天及汽车等现代工业出于节能、减排等因素的考虑,在材料的结构设计与制造上提出了新的要求,结构轻量化、结构功能一体化和低成本设计与制造成为了新的发展方向。钛/铝异种合金的复合构件正是符合这种设计特点,存在着巨大的潜在应用价值。然而,钛合金与铝合金由于理化性能的差异,目前在应用方面仍然存在一定困难。其中,最主要的缺点就是铝合金的热膨胀系数与钛合金相差较大,当在航天航空邻域作为机载侦察及导弹导引光电平台的主要结构材料时,热膨胀系数相差较大会导致结构抗热载荷作用的能力变差,影响***测量精度、视轴稳定与图像清晰度等关键技术指标。因此降低此类结构材料的热膨胀系数势在必行。
高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料具有比一般铝合金材料优良的比强度、比刚度、尺寸稳定性和耐磨损等性能,尤其是近年来该种材料制备技术的快速发展,成本大为降低,在航空航天、电子和汽车等领域的应用将越来越广泛。高体积分数SiCp/Al复合材料的刚度和疲劳强度远大于铝合金,接近或超过钛合金的水平,且热膨胀系数也小于铝合金。由于钛/铝复合构件在航空航天、汽车和化工等领域中属于很有发展前途的复合结构材料构件,如果采用高体积分数SiCp/Al 复合材料代替钛/铝复合构件中铝合金,那么构件的刚度和疲劳强度等将会得到很大的提高且焊接应力将会下降。
对于高体积分数铝基复合材料与钛合金的连接,由于两种母材理化性质的差异,采用熔化焊的方法并不合适,相比之下钎焊具有加热温度低,接头光滑平整,组织、机械性能变化小等特点,且焊接过程中母材并不会熔化,可有效减轻基体和增强相之间的界面反应,降低增强相被损坏的程度。此外,通过精确控制工艺参数可以稳定控制界面反应情况,从而达到理想的焊接界面反应层,提高焊接接头性能。
钎焊是实现铝基复合材料与钛合金连接的有效方法之一。但是,铝基复合材料与钛合金的钎焊存在很大困难,原因如下:1)铝基复合材表面被大量的SiC陶瓷颗粒占据,这些SiC陶瓷颗粒对常用钎料的润湿性极差;2)铝基复合材料的铝合金基体熔点较低(557℃),限制了钎焊温度,而较低的钎焊温度进一步恶化了SiC/钎料界面的润湿性。3)铝和钛的化学活性均较强,易形成氧化膜,降低润湿性。钛在高温下还极易与氧、氮和氢元素发生吸气反应。4)钛易与包括铝在内的多种金属生成脆性金属间化合物,影响接头力学性能。5)钛合金与铝基复合材料的钎缝中没有颗粒增强相的存在,焊缝金属的热膨胀系数仍可能与母材相差较大,冷却过程中产生的较大残余应力会使钎缝开裂。为此,目前有以下方法改善钎料与母材界面的润湿性以及热膨胀系数方面的差异:一是导入超声振动;二是研发在较低钎焊温度下也具有良好润湿性且热膨胀系数与母材相匹配的新型钎料。
为促进铝基复合材料在与航空航天等领域的应用,针对铝基复合材料与钛合金焊接用的低熔点钎料的开发成为亟待解决的问题。为实现低熔点,一般可采取两种方法:(1)施加超声振动,改善低温下P/M界面和M/M界面难润湿的问题;(2)设计优化钎料成分,在钎料中加入降熔元素、活性元素和低热膨胀系数元素以降低钎料熔点并增加对铝基复合材料与钛合金母材的润湿性以及热膨胀系数的适配性。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种高体积分数铝基复合材料与钛合金钎焊用Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料及其制备方法,助力航空、航天和汽车等领域铝基复合材料与钛合金异种材料焊接构件的应用和发展。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
本发明一种铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料,为Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料,按质量分数由31~69%的Al、15~25%的Cu、5~15%的Si、5~15%的Sn、3~7%的Zn以及3~7%的Mg组成。
进一步的,所述Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg,按质量分数由56%的Al、16%的Cu、8%的Si、10%的Sn、5%的Zn以及5%的Mg组成。
进一步的,所述Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料的钎焊温度为≤557℃。
进一步的,所述Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg的熔化区间为479~502℃。
一种铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,包括以下步骤:
1)对纯Al铸锭、Al-20Si铸锭、纯Cu铸锭、纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭进行表面处理;
2)经过步骤1)后,在惰性气体保护下,将纯Al铸锭、Al-20Si铸锭、纯Cu铸锭、纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭进行熔炼,得到熔炼块;
3)将所述熔炼块利用急冷甩带方法制成钎料箔带。
进一步的,所述表面处理包括去除表面氧化膜以及除油。
进一步的,所述步骤2)具体包括以下步骤:将纯Al铸锭、Al-20Si铸锭和纯Cu铸锭熔化后进行第一阶段保温直至得到均匀的熔融金属液A,向所述熔融金属液A中加入纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭后进行第二阶段保温直至得到均匀的熔融金属液B,将所述熔融金属液B冷却至室温。
进一步的,将经过表面处理的纯Al铸锭、Al-20Si铸锭和纯Cu铸锭放入坩埚中熔炼,熔炼过程中加热温度保持在670℃~800℃,加热熔化后保温至少10min,得到所述熔融金属液A;然后向所述坩埚中加入经过表面处理的纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭,然后继续保温至少20min,得到所述熔融金属液B。
进一步的,待所述熔融金属液B冷却至≤200℃时,停止惰性气体保护,并继续冷却至室温。
进一步的,所述步骤3)具体包括以下步骤:将熔炼块在惰性气体保护下加热熔化,然后利用惰性气体将熔化的熔炼块以液滴形式连续吹送至冷却辊上,该液滴在冷却辊转动过程中离心力的作用下甩制成带。
与现有技术相比,本发明的有益技术效果:
本发明所述活性钎料的成分为Al-(20±5)Cu-(10±5)Si-(10±5)Sn-(5±2)Zn-(5±2)Mg(wt.%),其优点如下:(1)该系活性钎料的主组元为Al基而非常见的Zn基,保证了钎焊时对高体积分数铝基复合材料和钛合金两种母材的良好润湿性,有可能获得耐高温、性能优良的钎焊接头。(2)多元钎料能在降低钎料熔点的同时避免二元或三元钎料某一单一元素含量过多而生成大量有害相。(3)熔化区间低于高体积分数铝基复合材料铝合金基体熔点(557℃),且钎料中没有单质Sn存在,可以防止热裂。(4)可在500℃条件下使用,较低的焊接温度有利于降低钎缝热应力,同时减小钎料与钛合金生成Al-Ti金属间化合物的倾向,从而提高接头力学性能。(5)无需额外施加超声振动。(6)钎焊过程无需使用钎剂。(7)通过Cu、Si、Sn、Zn、Mg元素向基体中的扩散,近缝区基体可在较低温度下液化,对基体去膜能力强;Mg作为活性元素可以与SiC在低温下发生微弱的反应,形成非晶反应产物,改善对陶瓷增强相的润湿效果;钎焊接头强度高。(8)钎料箔带在室温下长时间放置,表面无氧化发黑现象存在,表明该系钎料易于保管,化学性能稳定。(9)Sn元素热膨胀系数较低,加入Sn元素一方面可降低钎料的整体热膨胀系数,另一方面在钎焊过程中Sn易与Mg元素反应并聚集形成2-10µm左右的颗粒状Mg2Sn+(Sn)亚共晶相,该相硬度低,脆性大,在焊接冷却过程中受到(Al)相和Al2Cu相挤压发生断裂,可释放部分内应力,避免钎缝出现宏观裂纹。此外,由于Mg2Sn+(Sn)亚共晶相在合适的焊接参数下能均匀分散于塑韧性较好的(Al)相中,因此裂纹不易发生扩展,保证了钎焊接头的力学性能。
对于铝基Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)系低熔点活性钎料,经DSC实测其熔化区间为479~502℃(低于557℃),该固相线温度低于Al-Cu-Si共晶温度524℃,说明Sn、Zn、Mg已被有效加入;另一方面该固相线温度远高于Sn的熔点,这表明没有单质Sn存在,可以防止热裂;所述铝基Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)系低熔点活性钎料可在500℃条件下使用,无需施加超声振动,无需施加钎剂。在500℃×30min×1MPa氩气保护条件下钎焊70vol.% SiCp/ZL101与TC4可得到94.05MPa的平均剪切强度,界面润湿性良好。
本发明的制备方法采用熔炼法结合急冷甩带,不需要特殊的工艺设备,在一般条件下即可完成生产,有利于产品的推广和应用。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)系低熔点活性钎料箔带的差示扫描量热法(DSC)曲线。
图2为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg系低熔点活性钎料箔带宏观图。
图3为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg合金熔炼块的背散射照片,其中,(a)为放大200倍照片,(b)为放大500倍照片。
图4为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg箔带的组织放大1500倍的背散射照片(a)及Al、Cu、Si、Sn、Zn、Mg元素面扫描分析图(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)。
图5为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg在500℃-1MPa-30min条件下钎焊70vol.%SiCp/ZL101铝基复合材料与TC4所得接头致密的界面组织电镜图,其中,(a)为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg在500℃-1MPa-30min条件下钎焊70vol.%SiCp/ZL101铝基复合材料与TC4所得接头横截面,(b)为图(a)中A区域1000倍放大图,(c)为图(b)中C区域3000倍放大图,(d)为图(b)中D区域10000倍放大图,(e)为图(a)中B区域1000倍图,(f)为图(e)中E区域3000倍放大图,(g)为图(e)中F区域10000倍放大图。
图6为接头抗剪强度最高(102.96MPa,试样焊接面积7.5mm×7.5mm)时的载荷-位移曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料成分设计和制备方法简介如下:
本发明拟开发一种熔点低于557℃、但对高体积分数铝基复合材料(增强相的体积分数为50%以上,例如70vol.% SiCp/ZL101)与TC4润湿性良好的活性铝基低熔点钎料。考虑到传统HL400(Al-12Si)与HL401(Al-28Cu-5Si)中的降熔元素Si与Cu虽具有较为突出的降熔能力,但对SiC而言,并非具有良好润湿性的活性元素。为此,本发明在HL401(Al-28Cu-5Si)的基础上,通过降低Cu含量,提高Si含量来改善钎料脆性,并改选既是活性元素(对SiC与铝基体而言)又是降熔元素(对Al基体而言)的Mg作为添加合金元素,然后额外添加Sn、Zn元素以进一步降低熔点,Sn元素同时起到降低钎料热膨胀系数作用,最终获得活性铝基低熔点活性钎料。其中Sn有以下三方面的优点:(1)降低钎料熔点;(2)降低钎料整体热膨胀系数;(3)与Mg在钎缝中形成均匀分布的细小颗粒状Mg2Sn+(Sn)亚共晶相,在钎料冷却收缩时首先发生断裂,释放部分内应力,避免钎缝产生应力集中而形成宏观裂纹。
但是,含Sn钎料制备的难点在于被添加的Sn不允许以单质的形式存在,否则将使钎料的固相线降至Sn的熔点(231.96℃),易引起接头在高温服役条件下出现热裂。
Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料的成分:由Al-Cu-Si系三元相图可知,Al-Cu-Si系三元共晶温度为524℃,符合钎焊对温度条件的要求;三元共晶成分为Al-28Cu-5Si;三元共晶反应为:L↔(Al)+Al2Cu+(Si)。但由于Al-28Cu-5Si中Cu含量超过总质量的20%,过量的Al2Cu相使钎料力学性能急剧下降,故选择适当降低Cu含量、提高Si含量,得到Al-20Cu-10Si,这样既可降低钎料脆性,同时也可避免钎料熔点过分升高。在此基础之上,以Al-20Cu-10Si为中间合金,加入适量Sn、Zn、Mg元素以降低熔点。此外,Sn还可起到降低钎料热膨胀系数、防止钎缝应力集中而开裂的作用,Mg元素为润湿SiC颗粒的活性元素。但是Sn、Zn、Mg的加入量要适中,过少起不到相应的作用,过多则会给钎焊接头力学性能带来不利影响。Sn过多则使会颗粒状Mg2Sn+(Sn)亚共晶粗化,影响钎焊接头力学性能,更进一步会导致钎料中出现Sn单质,在高温服役条件下产生热裂;Zn过多虽然会进一步降低钎料熔点,但会导致钎料结晶间隔变大,导致结晶缩松,影响钎焊接头力学性能;Mg过多虽有利于降低熔点,但会导致Al3Mg2、Mg2Si、Mg2Sn等过多而使钎料脆性增加,对钎料成带性和钎焊接头的力学性能不利。
最终,确定钎料成分(质量比)范围为:Al-(20±5)Cu-(10±5)Si-(10±5)Sn-(5±2)Zn-(5±2)Mg。
(一)实验母材及其准备:
实验所用母材为SiC颗粒体积分数高达70%的ZL101基复合材料(70vol.%SiCp/ZL101)和TC4。两块母材厚度均为3mm,面积尺寸分别为:7.5mm×7.5mm(70vol.%SiCp/ZL101,以搭接形式置于上方)、15mm×15mm(TC4,以搭接形式置于下方)。焊接前,需要对母材表面进行处理,先在240#、600#金刚石磨盘进行粗磨,随后铝基复合材料使用800#和1000#金刚石磨盘细磨,TC4使用800#和1000#水磨砂纸细磨,使母材表面平整,最后在丙酮(或酒精)中进行10min的超声清洗以除去油污,冷风吹干,放在标记过的试样袋中备用。
(二)钎料的设计及其制备:
第一步,备料及配比:按照相应成分比例即Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)称取纯Al铸锭、Al-20Si铸锭、纯Cu铸锭、纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭,然后用锉刀及砂纸进行表面氧化膜的去除,之后采用丙酮超声清洗,清洗后使用吹风机凉风吹干,放置于标记好的试样袋中备用。
第二步,熔炼:将准备好的原料Al铸锭、Al-20Si铸锭和纯Cu铸锭先放入石英坩埚中熔炼,通过K型热电偶测温,感应加热至700℃后熔化,并在该温度下保温10min,然后将纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭投入上述坩埚中继续保温20min(原因是Mg极易氧化与气化),降温至室温即可得到所需熔炼块。熔炼过程中“加热700℃—保温30min—降温至200℃”均需通入Ar气(5L/min)以防止氧化,降温至200℃后关闭Ar气。
第三步:甩带:将制备好的熔炼块,切成适宜大小的合金块,用砂纸去除表面氧化膜,放入丙酮中超声清洗10min,使用吹风机凉风吹干备用。后通过急冷甩带制备钎料箔带。
急冷甩带步骤如下:首先,将合金块放置于尖嘴石英管中(该试管底部尖嘴通过砂轮机打磨出直径≥2mm的微孔),并在感应加热前2min向尖嘴石英管内预先通入5L/min Ar气,目的是为了排出尖嘴石英管内多余的空气并防止空气从底部进入尖嘴石英管,保证吹出熔化金属不被氧化。2min后开启电源,采用大功率快速加热熔炼块,以防止其过度氧化,加热至700℃保温5min使熔炼块熔化后,快速打开Ar气阀,将气瓶流量开至足够大,在Ar气流的作用下,吹出石英管内熔化金属至高速旋转的冷却铜辊(铜辊转速为2000~3000rmp)上,否则金属液滴会迅速氧化并堵住微孔,导致无法完成后续甩带。熔融金属液滴在离心力的作用下由冷却铜辊甩制成带,钎料箔带厚度约为70~140µm。钎料箔带成带性良好、箔带厚度适中,表面光滑,同时,钎料箔带化学稳定性良好,长时间放置颜色未发生变化,无氧化发生,如图2所示。
(三)钎焊工艺及条件:
试验温度选取三个区间:500℃、520℃、540℃,两块母材采用搭接形式,压力选取1MPa,焊接保温时间30min。焊接过程中(加热升温-保温-冷却至200℃)采用5L/min的Ar气保护,冷却至200℃后关闭Ar气,继续冷却至室温。
(四)实验结果:
钎料的熔化区间与组织:Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)系低熔点活性钎料箔带的DSC(Differential Scanning Calorimeter)曲线如图1所示,其熔化区间为479~502℃:固相线高于Sn熔点(231.96℃),表明无单质Sn存在,有利于避免热裂纹;液相线低于高体积分数铝基复合材料铝合金基体熔点(557℃),符合焊接要求。
钎料熔炼块的组织如图3所示,组织中已无原始单质Al、Cu、Sn、Zn、Mg存在,主要由黑色的富Al相、深灰色的富Mg相、灰白色的Al2Cu相、亮白色的富Sn相组成。参见图4,钎料箔带成分无偏析,各活性元素均匀分布,无单质Sn存在,可满足焊接时对全部界面润湿的要求。
接头剪切强度:表1为用Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)钎焊70vol.% SiCp/ZL101和TC4在不同温度下所得接头剪切强度汇总。表1第一行为在500℃-1MPa-30min氩气保护条件下钎焊70vol.% SiCp/ZL101和TC4所得三个试样的剪切强度,可得到94.05MPa的平均剪切强度(剪切强度最高者可达102.96MPa)。
表1 Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)钎焊70vol.% SiCp/ZL101和TC4在不同温度下所得接头剪切强度
焊接温度/℃ | 实测值1/MPa | 实测值2/MPa | 实测值3/MPa | 平均/MPa |
500 | 90.89 | 102.96 | 88.31 | 94.05 |
520 | 58.23 | 61.87 | 56.16 | 58.75 |
540 | 32.75 | 35.42 | 29.31 | 32.49 |
由表1可知该系钎料在半熔化钎焊条件下性能更优,例如在500℃下,接头平均剪切强度可达94.05MPa,最高可达102.96MPa。500℃接头界面组织如图5所示,可以看出陶瓷颗粒/金属钎料(P/M)界面、母材金属与金属钎料(M/M)界面致密。
与本发明给出的钎料Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)相比,三元商用钎料HL401(Al-28Cu-5Si)在钎焊条件下(540℃×1MPa×30min,氩气保护)钎焊70vol.% SiCp/ZL101和TC4所得平均剪切强度仅为50.28MPa,而Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)自身在钎焊条件下(540℃×1MPa×30min,氩气保护)钎焊70vol.% SiCp/ZL101和TC4所得平均剪切强度也仅为32.49MPa,说明本发明给出的Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg(wt.%)系低熔点活性钎料在较低温度下的钎焊性能更加优异。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料,其特征在于:为Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料,按质量分数由31~69%的Al、15~25%的Cu、5~15%的Si、5~15%的Sn、3~7%的Zn以及3~7%的Mg组成。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料,其特征在于:所述Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料为Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg,按质量分数由56%的Al、16%的Cu、8%的Si、10%的Sn、5%的Zn以及5%的Mg组成。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料,其特征在于:所述Al-Cu-Si-Sn-Zn-Mg系低熔点活性钎料的钎焊温度为≤557℃。
4.根据权利要求1或2所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料,其特征在于:所述Al-16Cu-8Si-10Sn-5Zn-5Mg的熔化区间为479~502℃。
5.根据权利要求1所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)对纯Al铸锭、Al-20Si铸锭、纯Cu铸锭、纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭进行表面处理;
2)经过步骤1)后,在惰性气体保护下,将纯Al铸锭、Al-20Si铸锭、纯Cu铸锭、纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭进行熔炼,得到熔炼块;
3)将所述熔炼块利用急冷甩带方法制成钎料箔带。
6.根据权利要求5所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,其特征在于:所述表面处理包括去除表面氧化膜以及除油。
7.根据权利要求5所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,其特征在于:所述步骤2)具体包括以下步骤:将纯Al铸锭、Al-20Si铸锭和纯Cu铸锭熔化后进行第一阶段保温直至得到均匀的熔融金属液A,向所述熔融金属液A中加入纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭后进行第二阶段保温直至得到均匀的熔融金属液B,将所述熔融金属液B冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,其特征在于:将经过表面处理的纯Al铸锭、Al-20Si铸锭和纯Cu铸锭放入坩埚中熔炼,熔炼过程中加热温度保持在670℃~800℃,加热熔化后保温至少10min,得到所述熔融金属液A;然后向所述坩埚中加入经过表面处理的纯Sn铸锭、纯Zn铸锭以及纯Mg铸锭,然后继续保温至少20min,得到所述熔融金属液B。
9.根据权利要求8所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,其特征在于:待所述熔融金属液B冷却至≤200℃时,停止惰性气体保护,并继续冷却至室温。
10.根据权利要求5所述的铝基复合材料与钛合金钎焊用低熔点钎料的制备方法,其特征在于:所述步骤3)具体包括以下步骤:将熔炼块在惰性气体保护下加热熔化,然后利用惰性气体将熔化的熔炼块以液滴形式连续吹送至冷却辊上,该液滴在冷却辊转动过程中离心力的作用下甩制成带。
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102319963A (zh) * | 2011-08-26 | 2012-01-18 | 桂林市庆通有色金属工艺材料开发有限公司 | 一种Al-Si-Cu-Zn-Sn-Ni铝基钎料及其制备方法 |
CN102489805A (zh) * | 2011-11-11 | 2012-06-13 | 西安交通大学 | 铝基复合材料的原位强化活性液相扩散焊方法及其所用的Al-Cu-Ti系三元活性钎料 |
CN106425155A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-02-22 | 西安交通大学 | 高体积分数铝基复合材料用Al‑Mg‑Ga系活性软钎料及其制备方法 |
CN107214433A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-09-29 | 安徽华众焊业有限公司 | 一种铝合金铝箔钎料 |
KR20180033941A (ko) * | 2016-09-27 | 2018-04-04 | 한국켐테크(주) | 알루미늄 브레이징 합금 조성물 및 이의 제조방법 |
CN113042735A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-29 | 东睦新材料集团股份有限公司 | 一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法 |
-
2023
- 2023-05-29 CN CN202310611698.XA patent/CN116352311A/zh active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102319963A (zh) * | 2011-08-26 | 2012-01-18 | 桂林市庆通有色金属工艺材料开发有限公司 | 一种Al-Si-Cu-Zn-Sn-Ni铝基钎料及其制备方法 |
CN102489805A (zh) * | 2011-11-11 | 2012-06-13 | 西安交通大学 | 铝基复合材料的原位强化活性液相扩散焊方法及其所用的Al-Cu-Ti系三元活性钎料 |
KR20180033941A (ko) * | 2016-09-27 | 2018-04-04 | 한국켐테크(주) | 알루미늄 브레이징 합금 조성물 및 이의 제조방법 |
CN106425155A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-02-22 | 西安交通大学 | 高体积分数铝基复合材料用Al‑Mg‑Ga系活性软钎料及其制备方法 |
CN107214433A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-09-29 | 安徽华众焊业有限公司 | 一种铝合金铝箔钎料 |
CN113042735A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-29 | 东睦新材料集团股份有限公司 | 一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
张波: "70%SiCp/Al复合材料的润湿及钎焊研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技I辑, no. 11, pages 16 - 28 * |
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