CN101298108B

CN101298108B - 用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法

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Publication number: CN101298108B
Application number: CN2008101107725A
Authority: CN
Inventors: 叶雷; 程耀永; 熊华平; 毛唯; 李晓红; 陈波; 吴欣; 周媛
Original assignee: Beijing Institute of Aeronautical Materials China Aviation Industry No 1 Group Corp
Current assignee: Beijing Institute of Aeronautical Materials China Aviation Industry No 1 Group Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: CN101298108A

Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法。本发明的方法是，在钢待焊表面预先镀Ni，再用银基钎料对钛合金和钢进行真空钎焊，所述的银基钎料为银铝钎料或银铜钎料或银铜钛钎料。本发明提出在钢表面预先镀Ni后，再使用银基钎料钎焊钛合金与钢异种材料组合结构，避免了直接钎焊引起的界面裂纹和接头强度不足的问题，又保证在低于绝大多数钛合金β相转变温度下进行连接，避免过高的连接温度对钛合金母材性能的损伤，同时钎焊接头室温拉伸强度达到250～540MPa。

Description

用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法。

背景技术

钛及钛合金比强度高、耐蚀性能好，在航空、航天、核工业、石油、化工等领域得到了广泛的应用。随着钛合金应用的日益增多，钛与其它金属的焊接，尤其是钛合金与钢的连接已经成为迫切需要解决的问题。

在钛合金与不锈钢的焊接过程中，一方面由于二者线膨胀系数、热导率相差较大，在焊接加热和冷却过程中变形不同，导致接头形成较大内应力；另一方面，由于钛和铁之间的固溶度很小，在焊接接头容易形成脆性的金属间化合物，如TiFe、TiFe₂、σ相等。另外，不锈钢中的碳易与钛形成脆性的间隙相TiC。这些脆性相的形成，降低了异种金属焊接接头的接合强度以及塑性、韧性。

目前，国内外研究中已见报道的有钨极氩弧焊、爆炸焊、扩散焊、钎焊等焊接方法。美国研究者M.Marya等在《焊接科学与技术》上公开了一篇题为“钛与钢焊接用焊丝研究”的文章，文中选用钒焊丝对一种低碳钢和Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金进行钨极氩弧焊，发现尽管钒焊丝对于抑制钢/钛合金熔焊裂纹有一定的效果，但焊缝中仍然存在脆硬的(Fe，Ti，V)三元相，还是难以实现钢与钛合金的熔焊。(M.Marya and S.Liu.″Search for filler metal for welding of ferrous alloys to titanium″.Science and Technology of Welding and Joining，2001(4)，P240-246)。段卫东等在《爆破器材》杂志上公开了一种采用铜、铝作为钛-钢爆炸焊接夹层，获得的焊接界面拉伸强度达到402～541MPa。爆炸焊虽然是进行大面积复合板连接最有效的方法，但其也有变形量大、组织和性能不均匀以及工艺参数控制要求严格等问题。(作者：段卫东，吕早生。“铜和铝作为钛-钢爆炸焊接夹层时的复合工艺及焊接界面的试验研究”。爆破器材.2001(1)，P27-31)孙荣禄等在《焊接》杂志上公开了一种采用了V+Cu层对钛合金和不锈钢进行扩散连接。发现这种复合中间层可以有效防止Ti与不锈钢中的Fe、Cr、Ni、C的相互扩散和迁移，消除了TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的脆性金属间化合物，接头的拉伸强度与中间层Cu的相对厚度有关，最高强度高达537MPa。但是一般认为采用V+Cu复合中间层接头的耐蚀性往往满足不了要求。(作者：孙荣禄，张九海，黄喜东。“中间过渡金属V+Cu对钛合金与不锈钢扩散焊接头性能的影响”。焊接，1997(2)，P2-6)由化学工业出版社出版的“异种难焊材料的焊接及应用”中公开了一种利用不同厚度Cu、Ni镀层做扩散中间层进行钛合金与钢的扩散焊，但接头强度普遍较低。(作者：李亚江，王娟，刘鹏。“异种难焊材料的焊接及应用”。化学工业出版社，2004年：P186-188)《焊接学报》上名为“Ag95CuNiLi钎料钎焊钛合金与不锈钢异种金属的性能分析”的文章公开了高银含量的银基钎料Ag95CuNiLi，研究发现在960℃/10min条件下TA17与0Cr18Ni10Ti钎缝的抗拉强度达到了220MPa(剪切强度126MPa)，认为在不锈钢一侧形成的金属间化合物组织是接头最薄弱的位置(作者：杨静，李长香，朱金霞等。“Ag95CuNiLi钎料钎焊钛合金与不锈钢异种金属的性能分析”。焊接学报，2003(6)，P60-68)。《航天制造技术》杂志公开了一种采用Ag-26Cu-4Ti进行了钛合金与不锈钢异种金属组合薄壁管路结构的真空高频感应钎焊工艺试验研究，通过其最佳工艺参数可以获得密封性能优良的接头。但他们的研究同时也发现，装配间隙对钎焊接头的力学性能存在明显的影响，当装配间隙为0.03mm时，接头的平均剪切强度达到172MPa，装配间隙增大会降低接头强度，当装配间隙为0.15mm时，接头剪切强度已下降至约118MPa(作者“薛忠明，王奇娟，曲文卿等。“钛合金与不锈钢高频感应钎焊工艺试验研究”。航天制造技术，2004(6)，P31-35)。两种钎料钎焊采用的接头形式全部为钛合金与不锈钢直接钎焊，不可避免会使Ti与Fe元素相互接触反应。

钛合金与钢这种异种材料组合结构的连接存在着很大的技术难点，具体表现在采用常规熔焊方法或采用传统钎料进行钎焊，在连接界面都极易形成裂纹，接头强度也明显不足。而采用扩散焊及爆炸焊时，虽然可以获得较高性能，但对设备及工艺要求较高，且存在适用性不强等不足。对于钛合金与钢的连接，钎焊是一种比较简便常规的方法。在选用钎焊方法时，还应遵从钎焊温度不高于钛合金的β相转变温度的原则，以避免因焊接过程带来的对钛合金材料自身性能的损伤。尽管存在上述焊接技术难点，钛合金与钢的材料组合结构在航空、航天领域及一些民品应用方面存在着明确的应用需求，而且在不同的应用场合接头还要承受不同的工作环境。

发明内容

本发明的目的是：提出一种避免钛合金与钢直接钎焊时引起的界面裂纹和接头强度不足、避免过高的连接温度对钛合金母材性能造成损伤的用于钛合金/钢真空钎焊的工艺方法。

本发明的技术方案是：在钢待焊表面预先镀Ni，再用银基钎料对钛合金和钢进行真空钎焊，所述的银基钎料为银铝钎料或银铜钎料或银铜钛钎料，其中，银铝钎料成分为：铝含量的重量百分比为1％～20％，余量为银；银铜钎料成分为：铜含量的重量百分比为20％～45％，余量为银；银铜钛钎料成分为：，铜含量的重量百分比为20％～45％，钛含量的重量百分比为0.1％～7.0％，余量为银。

对钢待焊表面预先镀Ni的Ni层厚度为1～20μm。

所述的钎料使用形式为箔状或粉状；钎料厚度为：银铝钎料为0.03～0.60mm，银铜钎料为0.03～0.80mm，银铜钛钎料为0.03～0.80mm。

本发明的优点：本发明提出在钢表面预先镀Ni后，再使用银基钎料钎焊钛合金与钢异种材料组合结构，避免了直接钎焊引起的界面裂纹和接头强度不足的问题，又保证在低于绝大多数钛合金β相转变温度下进行连接，避免过高的连接温度对钛合金母材性能的损伤，同时钎焊接头室温拉伸强度达到250～540MPa。本发明可以直接用于高尔夫球头中钢球体和钛合金打击面的焊接。

附图说明

图1是在钢待焊表面预先镀Ni情况下用0.10mm厚度Ag-Al5(wt.％)钎料在900℃/5min的钎焊条件下获得的TC4与1Cr18Ni9Ti接头组织背散射电子像；

图2是在钢待焊表面预先镀Ni情况下用0.10mm厚度Ag-Cu28(wt.％)钎料在840℃/10min的钎焊条件下获得的TC4与1Cr18Ni9Ti接头组织背散射电子像。

具体实施方式

本发明为用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法，其特征在于，在钢待焊表面预先镀Ni后，再使用下述银基钎料其中之一进行真空钎焊：

(1)银铝钎料，其中铝含量的重量百分比为1％～20％，余量为银。

(2)银铜钎料，其中铜含量的重量百分比为20％～45％，余量为银。

(3)银铜钛钎料，其中铜含量的重量百分比为20％～45％，钛含量的重量百分比为0.1％～7.0％，余量为银

其中，镀Ni层厚度为1～20μm。

使用上述钎焊方法时，钎料使用形式为箔状或粉状；钎料厚度为：银铝钎料为0.03～0.60mm，银铜钎料为0.03～0.80mm，银铜钛钎料为0.03～0.80mm。推荐的钎焊工艺参数为：使用银铝钎料的钎焊温度：870～940℃，钎焊保温时间：0～60min；使用银铜钎料的钎焊温度：780～860℃，钎焊保温时间：0～60min；使用银铜钛钎料的钎焊温度：800～960℃，钎焊保温时间：0～60min。

根据上面所述的钎焊方法，当用于钛合金与钢组合结构件例如高尔夫球头钎焊时，先在钢待焊表面预先镀Ni，再使用银基钎料对钛合金与镀Ni后的钢进行真空钎焊。

具体工艺步骤如下：

(1)装配：根据连接接头的要求借助必要的工装进行钛合金与钢的装配，在连接界面加入银基钎料。

(2)加热：焊件装配后连同工装一起放入真空加热炉中，待真空度不低于3×10^-2Pa后，以5～18K/min的升温速度加热，对于银铝钎料，加热至870～940℃，保温0～60min；对于银铜钎料，加热至780～860℃，保温0～60min；对于银铜钛钎料，加热至800～960℃，保温0～60min。

(3)冷却：随炉冷却至室温。

表1给出本发明对钛合金与钢直接钎焊的实施例，包括使用的钎料、钎焊工艺、钛合金TC4/钢1Cr18Ni9Ti连接接头的室温拉伸强度。

表1钛合金与钢直接钎焊的实施例

在上述实施例中，分别使用Ag-Al5、Ag-Cu28钎料进行钛合金TC4与钢1Cr18Ni9Ti(预先镀Ni)接头的钎焊，通过微观分析发现采用Ag-Al5钎料钎焊的接头组织致密，钢与钎缝界面附近的灰黑色界面反应层经能谱仪分析为以Ni-Al为主的物相，Fe含量极少，镀Ni层隔绝了Fe与Ti的直接反应，界面生成物的脆性得到大大降低(参见附图1)，室温拉伸强度达到374.3MPa；采用Ag-28Cu钎料钎焊的接头同样如此(参见附图2)，室温拉伸强度达到540.4Mpa。

Claims

1.一种用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法，其特征在于，在钢待焊表面预先镀Ni，再用银基钎料对钛合金和钢进行真空钎焊，所述的银基钎料为银铝钎料或银铜钎料或银铜钛钎料，其中，银铝钎料成分为：铝含量的重量百分比为1％～20％，余量为银；银铜钎料成分为：铜含量的重量百分比为20％～45％，余量为银；银铜钛钎料成分为：铜含量的重量百分比为20％～45％，钛含量的重量百分比为0.1％～7.0％，余量为银。

2.根据权利要求1所述的用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法，其特征在于，对钢待焊表面预先镀Ni的Ni层厚度为1～20μm。

3.根据权利要求1所述的用于钛合金与钢真空钎焊的工艺方法，其特征在于，所述的钎料使用形式为箔状或粉状；钎料厚度为：银铝钎料为0.03～0.60mm，银铜钎料为0.03～0.80mm，银铜钛钎料为0.03～0.80mm。