CN101920366A - 一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于C_f/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，其特征在于，选取TZM合金作为中间过渡层，在C_f/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间选用一种含元素V的高温焊料，如CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者PdCo-V系高温焊料。而在TZM合金中间过渡层与高温合金之间使用同样含元素V的高温焊料，或者传统的Ni基钎料，或者Co基高温钎料，从而通过钎焊方法实现C_f/SiC复合材料与高温合金的连接。连接接头可以承受局部高达900℃～1000℃的短时高温作用。

Description

一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于C_f/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法。

背景技术

陶瓷、陶瓷基复合材料是很有应用前途的高温结构陶瓷材料。但由于陶瓷材料的加工性能差、耐热冲击能力弱，以及制造尺寸大而且形状复杂的零件较为困难等缺点，通常需要与金属材料组成复合结构来应用。

国内外关于碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC)的连接研究，公开报道的有使用AgCuTi钎料(见《材料科学与工艺》，vol.17，增刊1，2009，p1-4，作者：陈波，熊华平，程耀永，毛唯，)；Ni基钎料钎焊C_f/SiC自身(见“C_f/SiC陶瓷复合材料与高温合金的高温钎焊研究”.博士学位论文，作者：钢铁研究总院，张勇.2006年6月)，以及采用Ti箔-Cu箔叠层连接C_f/SiC与Nb合金的研究结果(Jiangtao Xiong，Jinglong Li，Fusheng Zhang and Weidong Huang，Scripta Materialia55，2006，p151-154)，其中Ni基高温钎料连接C_f/SiC自身接头室温四点弯曲强度只有58MPa左右。一方面，采用AgCuTi钎料，或者Ti箔-Cu箔叠层连接C_f/SiC，其接头耐热温度很难超过500℃；采用Ni基钎料钎焊C_f/SiC其接头强度又太低。另一方面，C_f/SiC复合材料与金属的连接很多都限于该复合材料与钛合金、铌合金的连接，目前还缺乏C_f/SiC复合材料与高温合金的有效连接方法。

C_f/SiC复合材料与高温合金的钎焊连接需要解决两个技术问题，一是设计选取合适的高温焊料，实现焊料与C_f/SiC复合材料之间界面的牢固连接，二是C_f/SiC复合材料与高温合金两种被焊材料热膨胀系数差异大(前者约3×10^-6K^-1，后者约9～14×10^-6K^-1，)，即使使用了合适的焊料，直接进行C_f/SiC复合材料与高温合金的连接时容易造成接头在焊后冷却过程中开裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种C_f/SiC复合材料与高温合金的钎焊连接接头在焊后冷却过程中不开裂的一种用于C_f/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法。本发明的技术解决方案是，选取TZM合金作为中间过渡层，在被焊的C_f/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间选用CuPd-V系或者PdCuAu-V系或者PdCoAu-V系或者PdCo-V系高温焊料，其中，CuPd-V系焊料的成份及重量百分比为：Pd：10.0～59.0，V：4.5～15.0，Cu余量；

PdCuAu-V系焊料的成份及重量百分比为：Cu：20.0～39.0，Au：15.0～38.0，Ni：0.0～5.0，V：4.5～15.0，Pd余量；

PdCoAu-V系焊料的成份及重量百分比为：Co：21.0～32.0，Au：8.0～22.0，Ni：0.0～7.0，V：4.5～15.0，Pd余量；

PdCo-V系焊料的成份及重量百分比为：Co 25.0～39.0，Cu 0.0～4.0，Ni：0.0～7.0，V：4.5～15.0，Si：0.0～2.6，B：0.0～2.5，Pd余量；

在TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间使用成份及重量百分比与上述相同的CuPd-V系或PdCuAu-V系或PdCoAu-V系或PdCo-V系高温焊料，或传统的Ni基或Co基钎料；钎焊方法为如下之一，当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以内时，在装配完成焊料后，通过1130℃～1200℃/10～25min的一次钎焊方法，钎焊时真空度不低于3×10^-2Pa，实现C_f/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接；当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以上时，先按被焊的C_f/SiC复合材料、含元素V的高温焊料、TZM合金中间过渡层的顺序进行装配，并按1130℃～1200℃/10～25min的工艺进行第一次钎焊，钎焊时真空度不低于3×10^-2Pa，再在第一次已焊好的接头的TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间，添加含V元素的高温焊料，或者传统的Ni基或Co基钎料，通过1050℃～1110℃/10～20min的进行第二次钎焊，钎焊时真空度不低于3×10^-2Pa，完成C_f/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接。

被焊的C_f/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间、TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间所使用的焊料相同或不同。

本发明具有的优点的有益效果是：本发明所述用于C_f/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，既解决了焊料与C_f/SiC复合材料之间界面连接问题，比如本发明选用CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者PdCo-V系高温焊料，其钎料熔化温度与传统的系列镍基钎料大体处于同一水平，但对应C_f/SiC陶瓷基复合材料的接头室温三点弯曲强度从传统镍基钎料对应的58MPa提高至110～170MPa；本发明还解决了焊料耐高温问题，比如选用的CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者PdCo-V系高温焊料，相对于钎焊陶瓷用的传统AgCuTi钎料，本发明使用钎料的熔化温度提高了250℃～350℃，从而使其钎焊C_f/SiC复合材料接头耐高温性能明显改善。另外，本发明选取TZM合金作为中间过渡层，一是该材料它本身耐高温(可在高于1000℃的情况下使用)，其本身的高温性能优于铌、铌合金、钨、钨合金或者纯钼等在陶瓷或陶瓷基复合材料与金属连接中较常用的中间过渡层材料，二是其热膨胀系数为5.3×10^-6K^-1，介于被焊的C_f/SiC复合材料与高温合金之间，并且更接近于被焊的C_f/SiC复合材料，可以有效缓解钎焊连接后在C_f/SiC复合材料与高温合金连接接头形成的残余热应力，并且同样的含元素V的高温焊料，或者传统的Ni基钎料，或者Co基钎料，与TZM合金和被焊的高温合金之间都具有良好的冶金相容性，最终能够保证获得冶金质量良好而且连接牢固的C_f/SiC复合材料与高温合金的连接接头。

具体实施方式

选取TZM合金作为中间过渡层，在被焊的C_f/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间选用一种含元素V的高温焊料，如CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者PdCo-V系高温焊料，这四种焊料的成份及重量百分比依次为：CuPd-V系高温焊料，Pd：10.0～59.0，V：4.5～15.0，Cu余量；PdCuAu-V系高温焊料，Cu：20.0～39.0，Au：15.0～38.0，Ni：0.0～5.0，V：4.5～15.0，Pd余量；PdCoAu-V系高温焊料，Co：21.0～32.0，Au：8.0～22.0，Ni：0.0～7.0，V：4.5～15.0，Pd余量；PdCo-V系高温焊料，Co 25.0～39.0，Cu 0.0～4.0，Ni：0.0～7.0，V：4.5～15.0，Si：0.0～2.6，B：0.0～2.5，Pd余量。而在TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间使用同样的含V元素的高温焊料，或者传统的Ni基，或者Co基高温钎料。

当上述两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以内时，可以采取下述的一步焊接工艺：

(1)装配，根据连接接头的要求，依次进行被焊的C_f/SiC陶瓷基复合材料、含元素V的高温焊料、TZM合金中间过渡层、含元素V的高温焊料或者Co基高温钎料、被焊的变形高温合金之间的装配；各种焊料的形式可以是合金粉末，或者轧制的合金带材，或者急冷态箔带。

(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热至1130℃～1200℃的钎焊温度，真空度不低于3×10^-2Pa，保温5～30分钟后再随炉冷却至室温。

当上述两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以上的，可以采取下述的分步焊接工艺：

(1)装配，根据连接接头的要求，先进行被焊的C_f/SiC陶瓷基复合材料、含元素V的高温焊料、TZM合金中间过渡层之间的装配；含元素V的高温焊料的形式可以是合金粉末，或者轧制的合金带材，或者急冷态箔带。

(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热至1130℃～1200℃的钎焊温度，真空度不低于3×10^-2Pa，保温5～30分钟后再随炉冷却至室温。

(3)再装配，根据连接接头的要求，进行第一次已经连接好的C_f/SiC陶瓷/TZM合金接头、Ni基钎料、被焊的变形高温合金之间的装配；各种焊料的形式可以是合金粉末，或者急冷态箔带，或者非晶态带。

(4)又一次加热，上述第三步骤焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热至1050℃～1100℃的钎焊温度(比第二步加热焊接的温度略低)，真空度不低于3×10^-2Pa，保温5～20分钟后再随炉冷却至室温。

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

表1给出了本发明技术方案所述工艺方法的21个实施例(被焊的陶瓷基复合材料均为C_f/SiC复合材料，被焊的变形高温合金为GH783高温合金，或者GH3044高温合金，或者GH3536高温合金，或者GH2696，或者GH4169高温合金，选用的中间过渡层材料均为TZM合金)。

上述实施例所述的技术工艺路线，其中含元素V的高温焊料的形式可以是合金粉末，或者轧制的合金带材，或者急冷态箔带。Ni基或者Co基高温钎料的形式可以是合金粉末，或者急冷态箔带，或者非晶态带。

采用表1所示的实施例1～21，成功地完成了C_f/SiC陶瓷基复合材料与变形高温合金接头的连接。接头实物经实际功能考核与试验，接头可以承受局部高达900℃～1000℃的短时(5～20min)高温作用，而且，连接接头经历从高温(900℃～1000℃)到室温的5～10次循环热震试验后未发生破坏。

Claims (2)

1.一种用于C_f/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，其特征在于，选取TZM合金作为中间过渡层，在被焊的C_f/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间选用CuPd-V系或者PdCuAu-V系或者PdCoAu-V系或者PdCo-V系高温焊料，其中，CuPd-V系焊料的成份及重量百分比为：Pd：10.0～59.0，V：4.5～15.0，Cu余量；

PdCuAu-V系焊料的成份及重量百分比为：Cu：20.0～39.0，Au：15.0～38.0，Ni：0.0～5.0，V：4.5～15.0，Pd余量；

PdCoAu-V系焊料的成份及重量百分比为：Co：21.0～32.0，Au：8.0～22.0，Ni：0.0～7.0，V：4.5～15.0，Pd余量；

PdCo-V系焊料的成份及重量百分比为：Co 25.0～39.0，Cu 0.0～4.0，Ni：0.0～7.0，V：4.5～15.0，Si：0.0～2.6，B：0.0～2.5，Pd余量；

在TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间使用成份及重量百分比与上述相同的CuPd-V系或PdCuAu-V系或PdCoAu-V系或PdCo-V系高温焊料，或传统的Ni基或Co基钎料；钎焊方法为如下之一，当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以内时，在装配完成焊料后，通过1130℃～1200℃/10～25min的一次钎焊方法，钎焊时真空度不低于3×10^-2Pa，实现C_f/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接；当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以上时，先按被焊的C_f/SiC复合材料、含元素V的高温焊料、TZM合金中间过渡层的顺序进行装配，并按1130℃～1200℃/10～25min的工艺进行第一次钎焊，钎焊时真空度不低于3×10^-2Pa，再在第一次已焊好的接头的TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间，添加含V元素的高温焊料，或者传统的Ni基或Co基钎料，通过1050℃～1110℃/10～20min的进行第二次钎焊，钎焊时真空度不低于3×10^-2Pa，完成Cf/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于C_f/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，其特征在于，被焊的C_f/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间、TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间所使用的焊料相同或不同。