CN102489815A - 超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺 - Google Patents
超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，步骤如下：(1)焊前对超级镍叠层复合材料和箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；(2)将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于超级镍叠层复合材料之间，待连接件用不锈钢工装板固定；(3)将上述装配好的超级镍叠层复合材料待连接件放入真空加热炉中进行钎焊；(4)控制降温速度为20～50℃/min，真空室温度冷却至100℃以下，将钎焊件取出。该工艺不需添加钎剂，能够获得成形良好的接头，满足超级镍叠层复合材料结构件在800～1000℃高温的使用要求，发挥超级镍叠层复合材料的高温性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层复合材料的真空钎焊工艺，尤其涉及超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，属于材料焊接技术领域。
背景技术
超级镍叠层复合材料是近年来新开发的一种由超级镍复层与Ni-Cr合金基层通过真空压制而成的新型材料，因其独特的高温性能和耐腐蚀性能受到欧美、俄罗斯等发达国家研究者的关注。这种复合材料的优势在于超级镍复层具有较好的高温抗氧化性和耐腐蚀性；而Ni-Cr合金基层具有低密度、高强度、低成本等优势，将超级镍复层与Ni-Cr合金基层复合在一起能够充分发挥各自的性能优势。超级镍叠层复合材料可减轻结构重量、提高部件的整体性能，在航空航天、能源动力等领域耐高温、耐腐蚀零部件制造中具有广阔的应用前景。
超级镍复层的厚度仅0.3～0.5mm，采用熔焊方法焊接时需要控制较小的热输入防止镍复层烧损。中国发明专利ZL200810016502.8提出一种填丝钨极氩弧焊方法，通过严格控制焊接参数实现了超级镍叠层复合材料与Cr18-Ni8不锈钢的熔焊。焊接过程中电弧需偏向不锈钢侧，防止超级镍复层烧损。但是采用这种熔焊方法进行超级镍叠层复合材料同种材料之间的焊接时，焊接难度加大。而真空钎焊过程中母材不熔化，能够防止超级镍复层烧损；并且真空钎焊过程中焊件整体加热、热应力较小，更适合精密和形状复杂结构件的连接。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种超级镍叠层复合材料的真空钎焊工艺。该工艺不需添加钎剂，采用Ni-Cr-Si-B非晶钎料作为填充金属，实现超级镍叠层复合材料同种材料之间的连接，能够获得成形良好的接头，满足超级镍叠层复合材料结构件在800～1000℃高温范围的使用要求，发挥超级镍叠层复合材料的高温性能。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，步骤如下：
(1)焊前对超级镍叠层复合材料和箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；
(2)将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于超级镍叠层复合材料之间，待连接件用不锈钢工装板固定；
(3)将上述装配好的超级镍叠层复合材料待连接件放入真空加热炉中进行钎焊，控制升温速度为10～20℃/min，钎焊温度为1060～1230℃，保温时间10～25min，真空度不低于133×10-4Pa：
(4)控制降温速度为10～25℃/min，真空室温度冷却至100℃以下时将钎焊件取出。
所述步骤(1)中可根据待连接件的实际需要，将箔状钎料预先制成一定的形状置于接头间隙中，准确控制钎料用量，并且能够抑制液态钎料的溢流，钎缝成形美观。
所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料和箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面油污的除去方法是：
小批量生产时，把待连接件置于丙酮溶液中超声清洗3～6min，然后用清水冲洗，烘干；
或：大批量生产时，把待连接件置于体积百分比为10％氢氧化钠水溶液中超声清洗4～10min，然后用清水冲洗，烘干。
所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料和箔状非晶钎料待连接表面氧化膜的去除方法是：
小批量生产时，用砂纸打磨表面至出现金属光泽，然后用酒精冲洗、吹干；所用的砂纸表面太粗糙或太光滑都不利于钎料扩散和铺展，推荐选用600～1000#的砂纸；
或：大批量生产时，用酸洗的方法除去超级镍叠层复合材料和箔状非晶钎料待连接表面的氧化膜，即：把零件置于HNO3含量为15％(体积百分比)、NaF质量百分含量为50g/L的水溶液中，在室温下浸蚀5～10min，取出用热水洗涤，然后在100～120℃下烘干。
上述油污的除去方法和氧化膜的除去方法均为常规技术，不属于本发明的发明点，在此不做过多的描述。上述清理后的待连接件及钎料应置于干燥环境中，焊前不得与待连接面接触。
所述步骤(2)中，Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分为：Cr 6.5～7.5％，Si 3.0～5.0％，B2.7～3.5％，Fe 2.5～3.5％，C≤0.02％，Ni余量，以质量百分比计。
所述Ni-Cr-Si-B系非晶钎料的固相线温度为970℃，液相线温度为1000℃，钎料的熔化温度间隔小，具有良好的流动性。
所述步骤(3)中，在加热过程中，可以设置几个保温平台使真空室内部和钎焊件温度均匀，特别是厚度较大的钎焊件，要适当延长保温平台和钎焊过程的保温时间、降低冷却速度。
本发明提出采用Ni-Cr-Si-B非晶钎料进行超级镍叠层复合材料同种材料之间的高温真空钎焊工艺。真空钎焊时由于待连接件整体加热，因此接头的变形程度及残余应力比熔焊时小。真空钎焊过程中，超级镍复层、Ni-Cr合金基层不熔化，避免熔焊过程中烧损现象的发生，能够保证超级镍复合材料结构完整性。采用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料，熔点较高，钎料的固相线与液相线温度间隔较小，具有良好的流动性和填缝能力；箔状钎料的厚度可以控制在10～30μm，并且可以预制钎料形状，更适于在高温条件下工作的复杂、精密结构件的连接。实现超级镍叠层复合材料同种材料之间的高温钎焊，能够推动超级镍叠层复合材料的应用，提高热端部件的性能。
本发明提出的超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，可形成界面结合良好、成形美观、性能可靠的钎焊接头，能够发挥这种复合材料的高温性能优势，满足航空航天、能源动力、化工设备等领域对高温结构材料的要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
厚度为2.6mm的超级镍叠层复合材料平板之间进行对接钎焊。待连接件长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层复合材料复层的厚度为0.3mm，Ni-Cr基层的厚度为2.0mm。
具体的高温真空钎焊工艺步骤如下：
(1)根据待连接件的形状，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成30×2.8mm2的长方形(可略大于钎焊面积)。
(2)焊前将待连接件置于丙酮溶液中洗超声清洗4min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用600#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料和箔状钎料表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。
(3)将待连接件置于铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于对接接头间隙，待连接件用不锈钢工装板夹紧、固定。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分(质量分数)为：Cr 6.5％，Si 4.5％，B2.8％，Fe 3.5％，C 0.02％，其余为Ni；厚度为30μm。
(4)把固定好的待连接件放入真空加热炉中进行钎焊，钎焊温度为1080℃，在1080℃时保温时间为20min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度15℃/min；②保温300℃×5min；③加热至800℃，加热速度15℃/min；④保温800℃×10min；⑤加热至1000℃，加热速度10℃/min；⑥保温1000℃×10min；⑦加热至1080℃，加热速度10℃/min；⑧1080℃保温20min。
(5)控制降温速度为15℃/min，真空室温度冷却至80℃时将钎焊件取出。
获得的超级镍叠层复合材料钎焊接头成形美观、结合良好，钎缝中无裂纹、无脆性化合物产生，满足连接件在高温下的使用要求。
实施例2：
厚度为3mm的超级镍叠层复合材料直角之间进行连接，待连接件长度30mm，宽度为20mm。超级镍叠层复合材料复层厚度为0.3m，Ni-Cr合金基层的厚度为2.4mm。
具体的真空高温钎焊工艺步骤如下：
(1)将超级镍叠层复合材料接头处打磨成45°斜角，根据待连接件尺寸计算钎焊面积为30×4.2mm2，，根据钎焊面积冲剪箔状钎料。
(2)将待连接件置于丙酮溶液中超声清洗3min，取出用清水冲洗干净后烘干。用600#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料和Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。
(3)将待连接件放置在铺有石墨纸的石墨板上，石墨纸的作用是防止待连接件与石墨板粘连。将超级镍叠层复合材料角接，把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于角接缝隙处，用不锈钢工装板将待连接件夹紧、固定。所用Ni-Cr-Si-B系非晶钎料的化学成分(质量分数)为：Cr 6.5％，Si 4.5％，B 3.1％，Fe 3.0％，C 0.02％，其余为Ni；厚度为20μm。
(4)把连接件放入真空炉中进行高温钎焊，钎焊温度为1100℃，在1100℃时保温时间为20min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度15℃/min；②保温300℃×5min；③加热至800℃，加热速度15℃/min；④保温800℃×5min；⑤加热至1000℃，加热速度10℃/min；⑥保温1000℃×15min；⑦加热至1100℃，加热速度10℃/min；⑧1100℃保温20min。
(5)控制降温速度为20℃/min，真空室温度冷却至80℃时将被连接件取出。
获得的超级镍叠层复合材料角接钎焊接头成形良好，界面结合可靠，满足连接件在高温下的使用要求。
实施例3：
厚度为2.6mm的超级镍叠层复合材料平板之间进行对接钎焊。待连接件长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层复合材料复层的厚度为0.3mm，Ni-Cr基层的厚度为2.0mm。
(1)根据待连接件的形状，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成30×2.8mm2的长方形(可略大于钎焊面积)。
(2)焊前将待连接件置于氢氧化钠溶液中超声清洗5min，取出用清水冲洗干净后烘干。用酸洗的方法除去超级镍叠层复合材料和箔状非晶钎料待连接表面的氧化膜，即：把待连接件置于HNO3含量为15％(体积百分比)、NaF质量百分含量为50g/L的水溶液中，在室温下浸蚀50min，取出用热水洗涤，然后在100℃下烘干。
(3)将待连接件置于铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于对接接头间隙，待连接件用不锈钢工装板夹紧、固定。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分(质量分数)为：Ni 83.49％，Cr 7.5％，Si 3％，B 3.5％，Fe2.5％，C0.01％；厚度为30μm。
(4)把固定好的待连接件放入真空加热炉中进行钎焊，钎焊温度为1060℃，在1060℃时保温时间为25min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度20℃/min；②保温300℃×2min；③加热至800℃，加热速度20℃/min；④保温800℃×3min；⑤加热至1000℃，加热速度15℃/min；⑥保温1000℃×5min；⑦加热至1080℃，加热速度15℃/min；⑧1060℃保温25min。
(5)控制降温速度为15～20℃/min，真空室温度冷却至90℃时将钎焊件取出。
获得的超级镍叠层复合材料钎焊接头成形美观、结合良好，钎缝中无裂纹、无脆性化合物产生，满足连接件在高温下的使用要求。
实施例4：
厚度为2.6mm的超级镍叠层复合材料平板之间进行对接钎焊。待连接件长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层复合材料复层的厚度为0.3mm，Ni-Cr基层的厚度为2.0mm。
(1)根据待连接件的形状，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成30×2.8mm2的长方形(可略大于钎焊面积)。
(2)焊前将待连接件置于氢氧化钠溶液中超声清洗10min，取出用清水冲洗干净后烘干。用酸洗的方法除去超级镍叠层复合材料和箔状非晶钎料待连接表面的氧化膜，即：把待连接件置于HNO3含量为15％(体积百分比)、NaF质量百分含量为50g/L的水溶液中，在室温下浸蚀10min，取出用热水洗涤，然后在120℃下烘干。
(3)将待连接件置于铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于对接接头间隙，待连接件用不锈钢工装板夹紧、固定。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分(质量分数)为：Ni 82.48％，Cr7％，Si5％，B 2.7％，Fe2.8％，C0.02％；厚度为25μm。
(4)把固定好的待连接件放入真空加热炉中进行钎焊，钎焊温度为1230℃，保温时间为10min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度17℃/min；②保温300℃×5min；③加热至800℃，加热速度17℃/min；④保温800℃×5min；⑤加热至1000℃，加热速度15℃/min；⑥保温1000℃×15min；⑦加热至1230℃，加热速度15℃/min；⑧1230℃保温10min。。
(5)控制降温速度为20℃/min，真空室温度冷却至99℃时将钎焊件取出。
获得的超级镍叠层复合材料钎焊接头成形美观、结合良好，钎缝中无裂纹、无脆性化合物产生，满足连接件在高温下的使用要求。
实施例5：
厚度为3mm的超级镍叠层复合材料直角之间进行连接，待连接件长度30mm，宽度为20mm。超级镍叠层复合材料复层厚度为0.3m，Ni-Cr合金基层的厚度为2.4mm。
真空高温钎焊工艺步骤如下：
(1)将超级镍叠层复合材料接头处打磨成45°斜角，根据待连接件尺寸计算钎焊面积为30×4.2mm2，，根据钎焊面积冲剪箔状钎料。
(2)将待连接件置于丙酮溶液中超声清洗3min，取出用清水冲洗干净后烘干。用1200#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料和Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。
(3)将待连接件放置在铺有石墨纸的石墨板上，石墨纸的作用是防止待连接件与石墨板粘连。将超级镍叠层复合材料角接，把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于角接缝隙处，用不锈钢工装板将待连接件夹紧、固定。所用Ni-Cr-Si-B系非晶钎料的化学成分(质量分数)为：Ni 80.98％，Cr 7.5％，Si 5％，B 3.5％，Fe 3.0％，C0.02％，厚度为20μm。
(4)把连接件放入真空炉中进行高温钎焊，钎焊温度为1200℃，在1200℃时保温时间为16min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度25℃/min；②保温300℃×5min；③加热至800℃，加热速度25℃/min；④保温800℃×10min；⑤加热至1000℃，加热速度15℃/min；⑥保温1000℃×15min；⑦加热至1200℃，加热速度15℃/min；⑧1200℃保温16min。
(5)控制降温速度为18℃/min，真空室温度冷却至90℃时将被连接件取出。
获得的超级镍叠层复合材料角接钎焊接头成形良好，界面结合可靠，满足连接件在高温下的使用要求。
实施例6：
厚度为3mm的超级镍叠层复合材料直角之间进行连接，待连接件长度30mm，宽度为20mm。超级镍叠层复合材料复层厚度为0.3m，Ni-Cr合金基层的厚度为2.4mm。
真空高温钎焊工艺步骤如下：
(1)将超级镍叠层复合材料接头处打磨成45°斜角，根据待连接件尺寸计算钎焊面积为30×4.2mm2，，根据钎焊面积冲剪箔状钎料。
(2)将待连接件置于丙酮溶液中超声清洗6min，取出用清水冲洗干净后烘干。用800#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料和Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。
(3)将待连接件放置在铺有石墨纸的石墨板上，石墨纸的作用是防止待连接件与石墨板粘连。将超级镍叠层复合材料角接，把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于角接缝隙处，用不锈钢工装板将待连接件夹紧、固定。所用Ni-Cr-Si-B系非晶钎料的化学成分(质量分数)为：Ni84.79％，Cr 7％，Si 3％，B2.7％，Fe 2.5％，C0.01％，厚度为20μm。
(4)把连接件放入真空炉中进行高温钎焊，钎焊温度为1150℃，在1150℃时保温时间为18min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度20℃/min；②保温300℃×2min；③加热至800℃，加热速度18℃/min；④保温800℃×3min；⑤加热至1000℃，加热速度15℃/min；⑥保温1000℃×5min；⑦加热至1150℃，加热速度15℃/min；⑧1150℃保温18min。
(5)控制降温速度为15℃/min，真空室温度冷却至85℃时将被连接件取出。
获得的超级镍叠层复合材料角接钎焊接头成形良好，界面结合可靠，满足连接件在高温下的使用要求。
Claims (6)
1.一种超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，其特征是，步骤如下：
(1)焊前对超级镍叠层复合材料和箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；
(2)将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于超级镍叠层复合材料之间，待连接件用不锈钢工装板固定；
(3)将上述装配好的超级镍叠层复合材料待连接件放入真空加热炉中进行钎焊，控制升温速度为10～20℃/min，钎焊温度为1060～1230℃，保温时间10～25min，真空度不低于1.33×10-4Pa；
(4)控制降温速度为20～50℃/min，真空室温度冷却至100℃以下，将钎焊件取出。
2.根据权利要求1所述的超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，其特征在于，所述步骤(1)中根据待连接件的实际需要，将箔状钎料预先制成需要的形状置于待连接件的接头间隙中，准确控制钎料用量，并且能够抑制液态钎料的溢流，钎缝成形美观。
3.根据权利要求1所述的超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料和箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料待连接表面油污的除去方法是：
小批量生产时，把待连接件置于丙酮溶液中超声清洗3～6min，然后用清水冲洗，烘干；
或：大批量生产时，把待连接件置于体积百分比为10％氢氧化钠水溶液中超声清洗4～10min，然后用清水冲洗，烘干。
4.根据权利要求1所述的超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料和箔状非晶钎料待连接表面氧化膜的除去方法是：
小批量生产时，用砂纸打磨表面至出现金属光泽，然后用酒精冲洗、吹干；所用的砂纸表面太粗糙或太光滑都不利于钎料扩散和铺展，选用600～1000#的砂纸；
或：大批量生产时，用酸洗的方法除去超级镍叠层复合材料和箔状非晶钎料待连接表面的氧化膜，即：把零件置于HNO3体积百分比为15％、NaF质量百分含量为50g/L的水溶液中，在室温下浸蚀5～10min，取出用热水洗涤，然后在100～120℃下烘干。
5.根据权利要求1所述的超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分为：Cr 6.5～7.5％，Si 3.0～5.0％，B 2.7～3.5％，Fe 2.5～3.5％，C≤0.02％，Ni余量，以质量百分比计。
6.根据权利要求1所述的超级镍叠层复合材料的非晶钎焊工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，在加热过程中，设置多个保温平台使真空室内部和钎焊件温度均匀。
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