CN102699571A

CN102699571A - 一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料及其制备方法

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Publication number: CN102699571A
Application number: CN2012102067187A
Authority: CN
Inventors: 张丽霞; 石俊秒; 李宏伟; 田晓羽; 曹健; 冯吉才
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料及其制备方法，它涉及一种中温钎料及其制备方法。本发明要解决现有石墨基复合材料中低温钎焊效果不理想的问题。本发明按重量份数是由48~53份的Ag、19~32份的Cu、10~28份的Sn和0.1~7份的Ti组成。方法为：一、称取各组分按球料质量比为12~16：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为280~320r/min的条件下，室温下球磨2~6h，得混合粉末；二、将混合粉末加压6~10t，得到箔片，超声清洗室温干燥，即得。本发明所获得的Gr/2024Al复合材料与金属钎焊接头的室温抗剪强度达到20MPa。本发明应用于航空航天领域。

Description

一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种中温钎料及其制备方法。

背景技术

石墨及石墨基复合材料具有耐高温、耐烧蚀、抗冲刷、抗热震的特性，在航空航天、武器装备领域具有广泛的应用前景，由于该类材料制备和成形方法的限制，因此实现它自身或与其它材料的连接是保证石墨基复合材料在上述领域得到广泛应用的关键。

目前报道的关于复合材料的连接方法有：机械连接、扩散焊和钎焊等。但机械连接存在消极质量过大，气密性无法保证等问题；而扩散焊由于需要施加较大的压力，其可焊接的结构形式非常有限；相对于前两种方法，钎焊具有更大的优势：如接头不存在较重消极质量、气密性良好、焊接中不需施加较大压力，接头形式不受限制等。

传统的钎焊石墨的钎料均要求钎焊温度在850℃以上，在此温度下，一些特殊条件下使用石墨基复合材料会丧失使用功能，经过特殊热处理金属母材的组织和机械性能也会受到影响。如Gr/2024Al复合材料在850℃钎焊温度下会丧失力学性能及发汗功能；石墨与铜在850℃钎焊时，铜的晶粒会急剧长大从而影响接头的使用性能。此外，高的钎焊温度会增加由于接头内部因两种母材热机械性能不匹配导致的残余热应力，极易导致接头失效。因此，设计一种可以对石墨基复合材料进行中低温钎焊，不影响焊接接头性能的钎料成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的是为了解决现有石墨基复合材料中低温钎焊效果不理想的问题，而提供了一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料及其制备方法。

本发明的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料，按重量份数是由48~53份的Ag、19~32份的Cu、10~28份的Sn和0.1~7份的Ti组成。

本发明的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、按重量份数称取48~53份的Ag粉、19~32份的Cu粉、10~28份的Sn粉和0.1~7份的Ti粉；二、将步骤一称取的各组分，按球料质量比为12~16：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为280~320r/min的条件下，室温下球磨2~6h，即得混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到箔片，将箔片在丙酮中超声清洗10min，室温干燥1~2h，即得中温钎料。

本发明钎料也可以采用纯度满足上述要求的金属箔片按照所需配比直接复合使用。

本发明的优点在于：实现石墨基复合材料自身及与金属的中低温直接钎焊，焊前不需要对复合材料表面进行任何改性处理，钎料中活性元素Ti能够实现对C的润湿从而实现钎料与石墨基复合材料的冶金结合。焊后母材性能几乎不受焊接热循环的影响。本发明所获得的Gr/2024Al复合材料与金属钎焊接头的室温抗剪强度达到20MPa。本发明所获得的石墨与金属钎焊接头的室温抗剪强度为11~24MPa。本发明所获得的C/C复合材料与金属的钎焊接头室温抗剪强度达到13~21MPa。

本发明的钎料可用来钎焊Gr/2024Al复合材料自身及其与钛合金，也可以钎焊石墨、C/C复合材料等。用此钎料钎焊后的石墨基复合材料接头具有较高的强度并能极大程度的保持接头各部分母材的性能。

附图说明

图1为试验1得到的Gr/2024Al与TC4的钎焊接头电镜图片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料，按重量份数是由48~53份的Ag、19~32份的Cu、10~28份的Sn和0.1~7份的Ti组成。

本实施方式的优点在于：实现石墨基复合材料自身及与金属的中低温直接钎焊，焊前不需要对复合材料表面进行任何改性处理，钎料中活性元素Ti能够实现对C的润湿从而实现钎料与石墨基复合材料的冶金结合。焊后母材性能几乎不受焊接热循环的影响。本实施方式所获得的Gr/2024Al复合材料与金属钎焊接头的室温抗剪强度达到20MPa。本实施方式所获得的石墨与金属钎焊接头的室温抗剪强度为11~24MPa。本实施方式所获得的C/C复合材料与金属的钎焊接头室温抗剪强度达到13~21MPa。

本实施方式的钎料可用来钎焊Gr/2024Al复合材料自身及其与钛合金，也可以钎焊石墨、C/C复合材料等。用此钎料钎焊后的石墨基复合材料接头具有较高的强度并能极大程度的保持接头各部分母材的性能。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的中温钎料按质量百分比是由50份的Ag、20份的Cu、27份的Sn和3份的Ti组成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二不同的是：所述的Ag的纯度为99.0%~99.9%、Cu的纯度为99.0%~99.9%、Sn的纯度为99.0%~99.9%和Ti的纯度为99.0%~99.9%。其它与具体实施方式一至二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的Ag、Cu、Sn和Ti均为300目的粉末。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、按重量份数称取48~53份的Ag粉、19~32份的Cu粉、10~28份的Sn粉和0.1~7份的Ti粉；二、将步骤一称取的各组分，按球料质量比为12~16：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为280~320r/min的条件下，室温下球磨2~6h，即得混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到箔片，将箔片在丙酮中超声清洗10min，室温干燥1~2h，即得中温钎料。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤三所述的箔片厚度为0.01~2mm。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五至六不同的是：步骤三中所述的超声频率为20KHz。其它与具体实施方式五至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤一中所述的按重量份数称取50份的Ag粉、20份的Cu粉、27份的Sn粉和3份的Ti粉。其它与具体实施方式五至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤一中所述的Ag的纯度为99.0%~99.9%、Cu的纯度为99.0%~99.9%、Sn的纯度为99.0%~99.9%和Ti的纯度为99.0%~99.9%。其它与具体实施方式五至八之一相同。

通过以下试验验证本发明的效果：

试验1

本试验的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、称取4.9g的Ag粉、2.1g的Cu粉、2.7g的Sn粉和0.3g的Ti粉；二、将步骤一称取的各组分，按球料比为6：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为300r/min的条件下，室温下球磨2h，即得混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到箔片，将箔片用丙酮清洗10min，室温干燥1h，即得中温钎料。

对本试验得到的中温钎料进行焊接试验，具体步骤如下：

将Gr/2024Al复合材料和TC4的待焊表面的油污、氧化物用机械清理方法清理干净。将Gr/2024Al和TC4放入丙酮中，进行超声（超声频率是20KHz）清洗10min，将清洗后的材料自然风干后，按照从上到下Gr/2024Al复合材料/配制中温钎料制片/TC4的形式进行装配，并在Gr/2024Al复合材料表面施加2MPa的压力进行固定；将装配好的工件放入真空加热炉中，当真空度为1×10^-3Pa时，开始以10℃/min的速度加热到680℃，保温10min，然后以5℃/min的速度降温到400℃，然后随炉冷却至室温，即完成Gr/2024Al与TC4的钎焊。

本试验的Ag粉的纯度为99.9%、Cu粉的纯度为99.9%、Sn粉的纯度为99.9%和Ti粉的纯度为99.9%。

经测试，Gr/2024Al与TC4的接头室温抗剪强度达到20MPa。

对本试验得到的Gr/2024Al与TC4的钎焊接头进行电镜观察，结果如图1所示，由图1可知从接头界面组织照片可以看出，使用本发明中的AgCuSnTi钎料可以在较低的钎焊温度下实现Gr/2024Al与TC4的有效连接。通过活性主元Ti在复合材料侧的有效富集，复合材料与中间层合金可以实现可靠的冶金结合。获得的钎焊接头具有良好的组织和力学性能。

试验2

本试验的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、称取5.3g的Ag粉、3.2g的Cu粉、1.2g的Sn粉和0.3g的Ti粉；二、将步骤一称取的各组分，按球料比为6：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为320r/min的条件下，室温球磨3h，即得混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到箔片，将箔片用丙酮清洗10min次，室温干燥1h，即得中温钎料。

对本试验得到的中温钎料进行焊接试验，具体步骤如下：

将石墨和Cu的待焊表面的油污、氧化物用机械清理方法清理干净。将石墨和Cu放入丙酮中，进行超声（超声频率是20KHz）清洗10min，将清洗后的材料自然风干后，按照从上到下石墨/配制中温钎料制片/Cu的形式进行装配，并在石墨表面施加2MPa的压力进行固定；将装配好的工件放入真空加热炉中，当真空度为1×10^-3Pa时，开始以10℃/min的速度加热到760℃，保温15min，然后以5℃/min的速度降温到400℃，然后随炉冷却至室温，即完成石墨与Cu的钎焊。

经测试，石墨与Cu的的接头室温抗剪强度达到11~24MP。

试验3

本试验的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、称取5.6g的Ag粉、2.4g的Cu粉、1.7g的Sn粉和0.3g的Ti粉；二、将步骤一称取的各组分，按球料比为6：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为300r/min的条件下，室温球磨2h，即得混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到箔片，将箔片用丙酮清洗10min，室温干燥1h，即得中温钎料。

对本试验得到的中温钎料进行焊接试验，具体步骤如下：

将C/C复合材料和TC4的待焊表面的油污、氧化物用机械清理方法清理干净。将C/C复合材料和TC4放入丙酮中，进行超声（超声频率是20KHz）清洗10min，将清洗后的材料自然风干后，按照从上到下C/C复合材料/配制中温钎料制片/TC4的形式进行装配，并在C/C复合材料表面施加2MPa的压力进行固定；将装配好的工件放入真空加热炉中，当真空度为1×10^-3Pa时，开始以10℃/min的速度加热到780℃，保温20min，然后以10℃/min的速度降温到400℃，然后随炉冷却至室温，即完成C/C复合材料与TC4的钎焊。

经测试，C/C复合材料与TC4的接头室温抗剪强度达到13~21MPa。

Claims

1.一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料，其特征在于用于石墨基复合材料连接的中温钎料按重量份数是由48~53份的Ag、19~32份的Cu、10~28份的Sn和0.1~7份的Ti组成。

2.根据权利要求1所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料，其特征在于所述的中温钎料按质量百分比是由50份的Ag、20份的Cu、27份的Sn和3份的Ti组成。

3.根据权利要求1所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料，其特征在于所述的Ag的纯度为99.0％~99.9％、Cu的纯度为99.0％~99.9％、Sn的纯度为99.0％~99.9％和Ti的纯度为99.0％~99.9％。

4.根据权利要求1所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料，其特征在于所述的Ag、Cu、Sn和Ti均为300目的粉末。

5.如权利要求1所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法，其特征在于用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、按重量份数称取48~53份的Ag粉、19~32份的Cu粉、10~28份的Sn粉和0.1~7份的Ti粉；二、将步骤一称取的各组分，按球料质量比为12~16：1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护，转速为280~320r/min的条件下，室温下球磨2~6h，即得混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到箔片，将箔片在丙酮中超声清洗10min，室温干燥1~2h，即得中温钎料。

6.根据权利要求5所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的箔片厚度为0.01~2mm。

7.根据权利要求5或6所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的超声频率为20KHz。

8.根据权利要求7所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的按重量份数称取50份的Ag粉、20份的Cu粉、27份的Sn粉和3份的Ti粉。

9.根据权利要求8所述的一种用于石墨基复合材料连接的中温钎料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的Ag的纯度为99.0％~99.9％、Cu的纯度为99.0％~99.9％、Sn的纯度为99.0％~99.9％和Ti的纯度为99.0％~99.9％。