CN101590574A - 用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料，按原子百分比由以下组分组成：总的百分比为100％，其中Ti20％－25％、Cu25％－30％、Ni20％－25％、Fe15％－20％、Cr10％－13％、Sn0.5％－5％、In0.01％－2％、Ga0.01％－2％。本发明还公开了上述高熵合金钎料箔材的制备方法，其制作步骤是，先利用超高真空电弧炉分步熔炼得到高熵母合金；再应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5－40m/s，得到高熵合金钎料箔材。本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与被焊金属及合金的匹配性好、钎缝耐腐蚀性能良好，焊缝为单相fcc固溶体组织，接头综合机械性能较高。

Description

用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料，本发明还涉及该高熵合金钎料的制备方法。

背景技术

钛及其合金比强度高，耐蚀性能好，是重要的宇航结构材料和化工材料。但因钛金属价格较高，工程上常用钛-钢异种金属结构，既可满足使用性能要求，又节约了钛材，制造钛-钢复合结构的关键是解决钛与钢的焊接问题。

由于钛与钢间的线膨胀系数、热导率相差均较大，在焊接接头中易形成较大的内应力；焊缝中铁的含量会大大超过其在钛中的溶解度，在焊缝中形成大量的金属间化合物；另外，钛是强碳化物形成元素，与钢中的碳极易形成脆性相，同时，焊缝中的钛还会与铁、铬、镍形成复杂的金属间化合物，从而使焊缝变得极脆，易产生裂纹。欲获得高质量的焊接接头，应避免钛与钢之间的熔焊连接，钎焊是实现TA2与0Cr18Ni9Ti焊接所常用的方法。但是由于现有钎焊合金钎料性能不理想，钎缝多出现硬脆金属间化合物相而使接头性能难于保障，而且钎缝耐蚀性也常常满足不了使用要求。可见，研制新的适用于硬质合金与钢焊接的高性能钎料显得非常迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料，该种钎料具有优良的强度、韧性及耐腐蚀性等综合性能，而且固相线与液相线温差较大，铺展性和填缝性好，易于获得高性能的钛合金/不锈钢钎接接头。

本发明的另一目的在于提供一种上述高熵合金钎料的制备方法。

本发明采用的技术方案是，一种用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料，按原子百分比由以下组分组成，总的百分比为100％，其中Ti20％-25％、Cu25％-30％、Ni20％-25％、Fe15％-20％、Cr10％-13％、Sn0.5％-5％、In0.01％-2％、Ga0.01％-2％。

本发明采用的另一技术方案是，一种上述高熵合金钎料的制备方法，该方法按照以下步骤实施，

步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：

A1、按原子百分比称量好以下各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti20％-25％、Cu25％-30％、Ni20％-25％、Fe15％-20％、Cr10％-13％、Sn0.5％-5％、In0.01％-2％、Ga0.01％-2％，将In和Ga一起称为微量元素；再用硼酐将称量好的各高纯金属分别进行净化处理；

A2、将步骤A1净化处理好的各种高纯金属按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Fe、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2得到的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、T-Fe与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-40m/s，将步骤A4得到的高熵母合金制备成非晶态的高熵合金钎料箔材。

本发明的高熵合金钎料，具有优良的强度、韧性及耐腐蚀性等综合性能，而且固相线与液相线温差较大，铺展性和填缝性好，钎接接头综合力学性能较高；钎料柔韧性能好，便于加工和装配；该高熵合金钎料的制备方法步骤简单，容易操作，制作成本低，便于推广。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的高熵合金钎料，按原子百分比由以下组分组成：总的百分比为100％，其中Ti20％-25％、Cu25％-30％、Ni20％-25％、Fe15％-20％、Cr10％-13％、Sn0.5％-5％、In0.01％-2％、Ga0.01％-2％。

在本发明的高熵合金钎料成分中，各组分及含量限定理由是：

为了提高钛合金/不锈钢接头的综合力学性能，高熵合金钎料主元选择Ti-Cu-Ni-Cr-Fe五主元系合金。主要原因有三点：①焊接过程中母材向液态钎料层的溶解不可避免，为预防钎缝产生脆性金属间化合物起见，钎料须含有Ti、Fe、Ni、Cr等诸主元；②为了获得具有单相fcc固溶体微结构的高性能钎缝，钎料中须添加Cu作为主要组元；③通过在合金中添加Sn、In和Ga微量元素，调节钎料熔点，改善钎料活性，提高钎料铺展性。

本发明的高熵合金钎料，其制备方法按照以下步骤实施，

步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：

A1、按原子百分比称量好以下各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti20％-25％、Cu25％-30％、Ni20％-25％、Fe15％-20％、Cr10％-13％、Sn0.5％-5％、In0.01％-2％、Ga0.01％-2％，将In和Ga一起称为微量元素，所有各种高纯金属的纯度均高于99.99％；再用硼酐将称量好的各种高纯金属分别进行净化处理；

A2、将步骤A1净化处理好的各种高纯金属按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Fe、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2得到的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Fe与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-40m/s，将步骤A4得到的高熵母合金制备成非晶态的高熵合金钎料箔材。所制备得到的高熵合金钎料箔材厚度约为25-60mm，宽约3-7mm，长约1-2m。

用本发明的高熵合金钎料焊接TA2与0Cr18Ni9Ti的试样接头，装配时先将箔材置于待焊TA2与0Cr18Ni9Ti之间，然后按照常规真空钎焊方法对装配好了的接头进行加热、保温和凝固，从而实现TA2与0Cr18Ni9Ti的钎焊连接。使用本发明的高熵合金钎料箔材进行TA2与0Cr18Ni9Ti接头的钎焊，与现有工艺操作条件相似，工艺简单，操作方便。

下表1中列举了具体实施例1-7中的各个组分含量。

表1实施例1-7中的各个组分含量表

组分含量(％)	Ti	Cu	Ni	Fe	Cr	Sn	In	Ga
									实施例1	25	25	20	15	10	4.98	0.01	0.01
实施例2	22	27	21	15	11	3.8	0.1	0.1
									实施例3	20	26	20	16	13	2.6	1.2	1.2
实施例4	20	25	25	17	10	1.7	0.8	0.5
									实施例5	24	30	20	15	10	0.5	0.25	0.25
实施例6	20	25	20	20	10	1	2	2
									实施例7	23	25	20	15	10	5	1	1

实施例1：

依照表1中实施例1的数据选取各组分元素含量，并按照以下步骤实施：

步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：

A1、按以下原子百分比称量好各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti25％、Cu25％、Ni20％、Fe15％、Cr10％、Sn4.98％、In0.01％、Ga0.01％，In和Ga合称为微量元素，各种高纯金属的纯度均高于99.99％，见表1；再用硼酐将称量好的各高纯金属分别进行净化处理；

A2、将步骤A1净化处理好的各高纯金属按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Fe、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2得到的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Fe与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5m/s，将步骤A4得到的高熵母合金制备成非晶态的高熵合金钎料箔材。

本实施例所制备得到的高熵合金钎料箔材厚度为60mm，宽约7mm，长约2m。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约230.5MPa。

实施例2：按照上述实施例1的步骤，依照表1中实施例2的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在12m/s，可制备出厚约55mm，宽约5mm，长约1m的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约221.7MPa。

实施例3：按照上述实施例1的步骤，依照表1中实施例3的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在15m/s，可制备出厚约45mm，宽约4mm，长约1m的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约195MPa。

实施例4：按照上述实施例1的步骤，依照表1中实施例4的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在20m/s，可制备出厚约40mm，宽约3mm，长约1m的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约207.8MPa。

实施例5：按照上述实施例1的步骤，依照表1中实施例5的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在25m/s，可制备出厚约35mm，宽约5mm，长约1m的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约210MPa。

实施例6：按照上述实施例1的步骤，依照表1中实施例6的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在35m/s，可制备出厚约30mm，宽约4mm，长约1m的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约198MPa。

实施例7：按照上述实施例1的步骤，依照表1中实施例7的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在40m/s，可制备出厚约25mm，宽约3mm，长约1m的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行高频感应钎焊，钎接接头拉剪强度约190MPa。

综上所述，本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与硬质合金与合金钢的匹配性好、钎缝耐腐蚀性能良好，焊缝为单相fcc固溶体组织，接头综合机械性能显著提高；该种高熵合金钎料的制备方法，工艺简单，制作成本低，便于推广。

Claims (3)

1.一种用于焊接TA2与0Cr18Ni9Ti用高熵合金钎料，其特征在于：按原子百分比由以下组分组成，总的百分比为100％，其中Ti20％-25％、Cu25％-30％、Ni20％-25％、Fe15％-20％、Cr10％-13％、Sn0.5％-5％、In0.01％-2％、Ga0.01％-2％。

2.一种权利要求1所述高熵合金钎料的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤实施，

步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：

A1、按原子百分比称量好以下各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti20％-25％、Cu25％-30％、Ni20％-25％、Fe15％-20％、Cr10％-13％、Sn0.5％-5％、In0.01％-2％、Ga0.01％-2％，将In和Ga一起称为微量元素；再用硼酐将称量好的各高纯金属分别进行净化处理；

A2、将步骤A1净化处理好的各种高纯金属按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Fe、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2得到的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Fe与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-40m/s，将步骤A4得到的高熵母合金制备成非晶态的高熵合金钎料箔材。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述各种高纯金属的纯度均高于99.99％。