CN102794578A

CN102794578A - 一种用于钎焊钛合金与钢或钛铝合金与钢的钎料

Info

Publication number: CN102794578A
Application number: CN2012102848251A
Authority: CN
Inventors: 董红刚; 杨仲林; 董闯
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: CN102794578B

Abstract

本发明提供一种用于钎焊钛合金与钢或钛铝合金与钢的钎料，其特征在于，所述钎料含有如下质量份数的各组分：Ti：0～40、Cu：24～50、Ni：6～23、V：5～20、Zr：9～35。本发明的钎料对于钛合金或钛铝合金母材和钢母材均具有良好的润湿效果，并可在一定程度上避免脆性金属间化合物的大量生成，使用本发明的钎料可获得高强度的钎焊接头。

Description

一种用于钎焊钛合金与钢或钛铝合金与钢的钎料

技术领域

本发明涉及一种异种金属间钎焊用的钎料成分配方，具体而言是一种用于钎焊钛合金与钢或钛铝合金与钢的钎料，属于材料钎焊连接领域。

背景技术

钛是20世纪50年代初走向工业化生产的一种重要金属。钛合金是以钛为基体金属并加入适量其它合金元素组成的合金。钛铝合金是以钛铝金属间化合物为基体材料的合金。在钛及其合金的众多特性中，有两个最为显著的优点：比强度高和耐腐蚀性好，从而使其被广泛应用于现代工业，特别是航空航天和化工行业。然而，实践表明，常规钛合金只能用于650℃以下的环境，为满足在更高温度条件下的服役需求而开发的钛基复合材料和以Ti₃Al、TiAl型金属间化合物为基体的钛铝合金正受到越来越广泛的重视。

与钢铁及铝合金等常用金属材料相比，钛及其合金虽然具有很多性能优势，但其生产和应用的范围及发展依然受到限制，最重要的是其制造加工过程比较复杂，且成本偏高。尤其在大型复杂构件中，钛及其合金与钢铁等其他金属的配合使用是简化制造工艺、降低成本的有效方法和必然途径。钛/钢异种金属连接件可综合钛和钢的优点，被广泛应用于核工业、航空航天、化工等领域，钛铝合金/钢异种金属连接结构已经被用于汽车发动机零部件的制造中。

目前，在钛合金或钛铝合金与钢异种金属间钎焊时常用的钎料有银基钎料、铜基钎料和钛基钎料。

对于银基钎料，由于其熔点较低，钎焊温度远低于钛合金或钛铝合金母材的β相转变温度，因此钎焊过程不会影响母材的性能，是焊接钛合金或钛铝合金的常用钎料。并且，银基钎料对于各种钢的焊接同样适用，因此是实现钛合金或钛铝合金与钢异种金属间钎焊的首要选择，得到了广泛研究。文献1（T.Noda,T.Shimizu,et al.Joining of TiAl and steels by induction brazing.Materials Science and Engineering A,1997,240:613-618）和文献2（P.He,J.C.Feng,et al.Mechanical property of induction brazing TiAl-basedintermetallics to steel 35CrMo using AgCuTi filler metal.MaterialsScience and Engineering A,2006,418(1-2):45-52）均采用Ag-Cu35.2-Ti1.8对钛铝合金与钢进行焊接，所得焊接接头常温下的抗拉强度均为320MPa。然而这些银基钎料的高温抗拉强度较低，抗蠕变性较差，因此接头无法满足高温环境下的服役要求。

文献3（A.Elrefaey,W.Tillmann.Characterization of titanium/steeljoints brazed in vacuum.Welding Journal,2008,87(5):113s-118s）和文献4（A.Elrefaey,W.Tillmann.Brazing of titanium to steel withdifferent filler metals:analysis and comparison.Journal of MaterialsScience,2010,45(16):4332-4338）均采用铜基钎料Cu-Mn12-Ni2对钛合金与钢进行钎焊，但接头中形成了大量Ti-Cu和Ti-Fe金属间化合物，接头强度远不如采用银基钎料所得接头。

钛基钎料广泛应用于钛合金或钛铝合金的焊接，是要求在高温和高腐蚀性环境中服役的钛合金或钛铝合金零件焊接的理想焊材。文献5（A.Shapiro,A.Rabinkin.State of the art of Titanium-based brazing filler metals.Welding Journal,2003,82(10):36-43）详细介绍了钛基钎料的发展和应用。文献1（T.Noda,T.Shimizu,et al.Joiningof TiAl and steels by inductionbrazing.Materials Science and Engineering A,1997,240:613-618）和文献6（T.Tetsui.Effects of brazing filler on properties of brazed jointsbetween TiAl and metallic materials.Intermetallics,2001,9(3):253-260）分别采用Ti-Cu15-Ni15钎料和Ti-Ni33钎料对钛铝合金与钢进行了焊接，但在钎料与钢基体之间有Ti-Fe金属间化合物的形成，接头强度也不如采用银基钎料所得接头。钛基钎料的成分是成功焊接钛合金或钛铝合金与钢的关键因素，因此适用于钛合金或钛铝合金与钢异种金属间钎焊的钛基钎料及其工艺尚待深入研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种接头强度高且能耐高温和腐蚀性的适用于钛合金或钛铝合金与钢异种金属间钎焊用的钎料。

能够满足上述目的的本发明的钎料含有如下质量份数的各组分：Ti0～40、Cu 24～50、Ni 6～23、V 5～20、Zr 9～35。

其中，优选如下配方的钎料（下述百分比均为质量百分比）：

配方1：Ti 30.8%、Ni 6.3%、V 5.5%、Zr 9.8%，余量为Cu；

配方2：Ti 19.6%、Ni 12.0%、V 10.5%、Zr 18.7%，余量为Cu；

配方3：Ti 9.4%、Ni 17.3%、V 15.0%、Zr 26.9%，余量为Cu；

配方4：Cu 24.0%、Ni 22.2%、V 19.3%，余量为Zr。

另外，本发明的钎料优选是将各组分混合、熔融后，经快速凝固制备得到的钎料。其中优选采用铜辊冷却法进行所述快速凝固。

本发明的钎料对于钛合金或钛铝合金母材和钢母材均具有良好的润湿效果，并可在一定程度上避免脆性Ti-Fe金属间化合物的大量生成，使用本发明的钎料可获得高强度的钎焊接头。此外，本发明的钎料与银基钎料相比，得到的钎焊接头耐高温、耐腐蚀，能够满足高温、高腐蚀环境下的服役要求。

具体实施方式

本发明的发明人经研究发现：传统钛基钎料中的钛元素含量过高，钎焊过程中熔化的钎料易于和钢母材反应，在界面处产生脆性的Ti-Fe金属间化合物，严重影响了接头强度；此外，传统钛基钎料与母材的润湿性差，钎焊过程中熔化的钎料不能充分填充母材间预留的钎焊间隙，造成焊接面局部未钎合，从而影响接头强度和气密性等。

本发明的技术思想是：以Ti-Cu-Ni-Zr非晶合金钎料成分为基础成分，结合团簇加连接原子结构模型及非晶成分设计的“等电子浓度”判据，围绕主团簇模型Cu-Cu4Ti8-Cu3进行成分设计，由其它原子V、Ni、Zr等对Ti、Cu原子进行替换，通过降低钛基钎料中钛的含量以避免金属间化合物的大量生成，并在钎料中加入与钛和铁均可以无限互溶的V元素以改善钎料与母材间的润湿性，可以有效防止钎缝中金属间化合物的大量形成，从而改善钎缝的显微组织和力学性能。

具体而言，本发明是一种用于钎焊钛合金与钢或钛铝合金与钢的钎料，其特征在于，所述钎料含有如下质量份数的各组分：Ti 0～40、Cu 24～50、Ni 6～23、V 5～20、Zr 9～35。

本发明的钎料配方优选如下（下述百分比均为质量百分比）：

配方1：Ti 30.8%、Ni 6.3%、V 5.5%、Zr 9.8%，余量为Cu；

配方2：Ti 19.6%、Ni 12.0%、V 10.5%、Zr 18.7%，余量为Cu；

配方3：Ti 9.4%、Ni 17.3%、V 15.0%、Zr 26.9%，余量为Cu；

配方4：Cu 24.0%、Ni 22.2%、V 19.3%，余量为Zr。

在本发明的钎料成分中，若铜元素含量最多，则称为铜基钎料（如配方1~3）；若锆元素含量最多，可称为锆基钎料（如配方4）。此外，此处的配方以及后述实施例的配方中均不排除包含杂质的情形，即在这些配方中，还可以含有材料钎焊连接领域允许范围内的从原料或制备工艺中混入的其它杂质成分。

由于钛含量的降低和钒元素的加入，本发明的钎料对于钛和钢母材均具有良好的润湿效果，还可在一定程度上避免脆性Ti-Fe金属间化合物的大量生成，获得了高强度的钎焊接头。

此外，本发明的钎料优选是将各组分混合、熔融后，经快速凝固制备得到的钎料。熔融的各组分在液体状态下处于均一混合的状态，采用快速凝固技术制备钎料，可以使各个组分在保持均一混合的状态下被迅速凝固成固体，这样获得的钎料熔化温度低，各组分均匀混合，并且在熔化状态下具有良好的流动性。对快速凝固的方法没有特别限制，但从技术的成熟性和经济效益的角度来讲，优选铜辊冷却法。所述铜辊冷却法是指：利用快速旋转的铜辊，将喷敷其上的液态金属快速凝固并甩离辊面的方法，铜辊内部通循环水，以维持铜辊表面的较低温度。使用该方法生产效率高，投资成本少，有利于在实际生产中推广应用。

本发明的钎料适用于各种钛合金或钛铝合金/钢异种金属间的钎焊连接，可以应用于涉及到使用钛合金与钢或钛铝合金与钢异种金属结构的产业，比如汽车、核工业、发动机等领域，市场前景广阔。

实施例

下面列举实施例对本发明进行详细说明。但本发明不受下述实施例的限制，在符合本发明前后宗旨的范围内，可对本发明做任意变化，这些变化均包括在本发明的技术范围内。

实施例1

采用99.99wt%的高纯度Ti、Cu、Ni、Zr和V薄板作为原料，按表1中配方1的钎料组分配比称取一定量的原料，在真空电弧炉中熔炼5次以上，使各组分混合均匀，并且最后一次熔炼的成分损失小于0.1wt%。采用铜辊快速冷却法（铜辊表面的线速度为40m/s）将熔炼后的合金锭甩成厚度为50μm左右的薄带，得到钎料1。采用上述钎料1对钛铝合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb，at%）与40Cr钢（Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni，wt%）进行钎焊，钎焊温度为900℃，保温时间10min，升温速度30℃/min，升温过程中在800℃保温5min使钎焊炉内温度均匀。

钎焊完成后，采用线切割方式将钎缝横向切开，制备金相试样，采用光学及电子显微镜观察接头形貌。结果表明：（1）钎料在40Cr钢和钛铝合金母材表面均具有良好的铺展性，钎焊前钎料宽度约为2mm，铺展后的平均宽度约为8mm，钎料铺展后的宽度是焊接前宽度的4倍左右；（2）钎料与钛铝合金母材间形成了明显的反应区（宽度约为8μm），钎料与40Cr钢母材之间也形成了互扩散层（厚度约为1μm），钎料与40Cr钢母材二者之间形成了冶金结合；（3）除靠近40Cr钢侧的钎缝层有少量连续灰色相外，钎缝其余部分成分均匀，采用电子探针（EPMA）对灰色相的元素含量测试及分析表明，该区域主要由Ti51-Cu32-Al9at%和少量的其它元素组成，对钎缝其余部分采用电子探针进行元素含量测试及分析表明基本为原始钎料成分。

此外，对采用钎料1所得的钛铝合金/40Cr钢钎焊接头进行常温拉伸试验，拉伸速率为2.5mm/min。结果表明：当拉伸强度为40MPa时，钎焊体发生断裂，断裂位置位于40Cr钢/钎料界面层上。

实施例2

除了采用表1中配方2的钎料组分以外，以与实施例1同样的方法制备得到钎料2。此外，除钎焊温度为930℃外，采用与实施例1相同的工艺参数对钛铝合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb，at%）与40Cr钢（Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni，wt%）进行钎焊，钎焊完成后，以与实施例1同样的方法观察接头形貌和实施拉伸试验。结果表明：（1）钎料在40Cr钢和钛铝合金母材表面均具有良好的铺展性，钎焊前钎料宽度约为2mm，铺展后的平均宽度约为5mm，钎料铺展后的宽度是焊接前宽度的2.5倍左右；（2）钎料与钛铝合金母材间形成了明显的反应区（宽度约为8μm），钎料与40Cr钢母材之间也形成了互扩散层（厚度约为1.5μm），厚度大于实施例1中的互扩散层厚度；（3）钎缝中部成分分布均匀，采用电子探针进行元素含量测试及分析表明基本为原始钎料成分。此外，当拉伸强度为124MPa时，钎焊体发生断裂，断裂位置位于钛铝合金基体上。

实施例3

除了采用表1中配方3的钎料组分以外，以与实施例1同样的方法制备得到钎料3。除钎焊温度为1000℃外，采用与实施例1相同的工艺参数对TC4钛合金（Ti90-Al6-V4，wt%）与40Cr钢（Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni，wt%）进行钎焊，钎焊完成后，以与实施例1同样的方法观察接头形貌和实施拉伸试验。结果表明：（1）钎料在TC4钛合金和40Cr钢母材表面均具有良好的铺展性，钎焊前钎料宽度约为2mm，铺展后的平均宽度约为5mm，钎料铺展后的宽度是焊接前宽度的2.5倍左右；（2）钎料与TC4钛合金母材间形成了10μm的反应区，钎料与40Cr钢母材之间也形成了互扩散层，互扩散层厚度约为2μm；（3）钎缝中部成分分布较为均匀，采用电子探针对该区域进行元素含量测试及分析表明，钎缝中钛含量明显高于原始钎料，这表明钎料与TC4母材结合良好，但部分钛元素扩散到40Cr钢与钎料的界面处，形成Ti-Fe金属间化合物，减弱了接头强度。此外，当拉伸强度为60MPa时，钎焊体发生断裂，断裂位置位于40Cr钢/钎料界面层上。

实施例4

除了采用表1中配方4的钎料组分以外，以与实施例1同样的方法制备得到钎料4。除钎焊温度为1050℃外，采用与实施例1相同的工艺参数对TC4钛合金（Ti90-Al6-V4，wt%）与40Cr钢（Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni，wt%）进行钎焊，钎焊完成后，以与实施例1同样的方法观察接头形貌和实施拉伸试验。结果表明：（1）钎料在TC4钛合金和40Cr钢母材表面均具有良好的铺展性，钎焊前钎料宽度约为2mm，铺展后的平均宽度约为7mm，钎料铺展后的宽度是焊接前宽度的3.5倍左右；（2）钎料与TC4钛合金母材间反应区宽度约为10μm，钎料与40Cr钢母材之间也形成了互扩散层，互扩散层厚度约为2μm；（3）钎缝中部成分分布较为均匀，采用电子探针对该区域进行元素含量测试及分析表明，钛向钎缝中发生了扩散，但含量较低，不影响接头强度。此外，当拉伸强度为80MPa时，钎焊体发生断裂，断裂位置位于40Cr钢/钎料界面层上。

比较例1

除了采用表1中配方5的钎料组分以外，以与实施例1同样的方法制备得到钎料5。除钎焊温度为975℃外，采用与实施例1相同的工艺参数对钛铝合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb，at%）与40Cr钢（Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni，wt%）进行钎焊，钎焊完成后，以与实施例1同样的方法观察接头形貌和实施拉伸试验。结果表明：（1）钎料在钛铝合金和40Cr钢表面具有一定的铺展性，但其铺展后的宽度仅为焊接前宽度的1.5倍左右；（2）钎料与钛铝合金母材之间形成了明显的反应区（宽度约为10μm），钎料与40Cr钢之间也形成了互扩散层（厚度约为0.8μm），但扩散层较窄，主要成分为Ti-Fe金属间化合物；（3）除上述反应区与互扩散层外，钎缝主要由两相组成：靠近40Cr钢侧附近大量的Ti和Sn富集，呈暗灰色圆岛状，主要为Ti₃Sn，其余部分基本为原始钎料成分，呈灰白色。此外，当拉伸强度为30MPa时，钎焊体发生断裂，断裂位置位于40Cr钢/钎料界面层上。

比较例2

除了采用表1中配方6的钎料组分以外，以与实施例1同样的方法制备得到钎料6。采用与实施例1相同的工艺参数对钛铝合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb，at%）与40Cr钢（Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni，wt%）进行钎焊，钎焊完成后，以与实施例1同样的方法观察接头形貌和实施拉伸试验。结果表明：（1）钎料在40Cr钢和TiAl合金表面具有一定的铺展性，但其铺展后的宽度仅为焊接前宽度的1.5倍左右；（2）钎料与钛铝合金母材之间形成了明显的反应区（宽度约为12μm），钎料与40Cr钢之间也形成了互扩散层（厚度约为0.5μm），但扩散层较窄，主要成分为Ti-Fe金属间化合物；（3）钎缝中有大量的块状及连续分布的Ti-Al-Cu及Ti-Ni金属间化合物析出，钎缝层硬度远高于原始钎料硬度。此外，当拉伸强度为30MPa时，钎焊体发生断裂，断裂位置位于40Cr钢/钎料界面层上。

由以上试验结果可知，在钎料中降低钛含量的同时加入钒元素，可以改善钎料的润湿性，使钎料与钢母材形成更牢固的冶金结合，并且改变钎焊后钎缝的组织形貌，避免金属间化合物在钎缝中的大量形成，从而可以获得高强度的钛合金或钛铝合金/钢异种金属钎焊接头。

表1

Claims

1.一种用于钎焊钛合金与钢或钛铝合金与钢的钎料，其特征在于，所述钎料含有如下质量份数的各组分：Ti 0～40、Cu 24～50、Ni 6～23、V 5～20、Zr 9～35。

2.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述钎料为铜基钎料，由如下质量百分比的各组分组成：Ti 30.8、Ni 6.3、V 5.5、Zr 9.8，余量为Cu。

3.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述钎料为铜基钎料，由如下质量百分比的各组分组成：Ti 19.6、Ni 12.0、V 10.5、Zr 18.7，余量为Cu。

4.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述钎料为铜基钎料，由如下质量百分比的各组分组成：Ti 9.4、Ni 17.3、V 15.0、Zr 26.9，余量为Cu。

5.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述钎料为锆基钎料，由如下质量百分比的各组分组成：Cu 24.0、Ni 22.2、V 19.3，余量为Zr。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的钎料，其特征在于，所述钎料是将各组分混合、熔融后，经快速凝固制备得到的。

7.根据权利要求6所述的钎料，其特征在于，采用铜辊冷却法进行所述快速凝固。