CN102922172A - 用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料 - Google Patents

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熊华平
叶雷
李晓红
陈波
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Abstract

本发明是一种用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：13.0～20.0，Ti余量，或Zr：20.0～30.0，Fe：7.0～12.9，Cu：2.0～8.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量。本发明钎料在1030℃～1070℃的钎焊温度下获得TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al合金接头，对应钎焊接头的室温剪切强度达到300～380MPa，钎焊TiAl合金接头760℃剪切强度达到210～250MPa，Ti3Al合金接头650℃剪切强度达到330～370MPa。本发明钎料适于对TiAl合金自身或Ti3Al合金自身的连接。

Description

用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料
技术领域
本发明是一种用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，属于焊接技术领域。
背景技术
Ti-Al基合金（TiAl或Ti3Al）具有低密度、高比强度、良好的高温抗氧化、抗蠕变性能，是非常具有发展前途的轻质耐高温结构材料。
由于Ti-Al基合金的综合性能优势，在航空、航天、汽车等领域具有良好的应用前景。国外在上世纪九十年代末期就开展了Ti-Al基合金的连接技术研究并相继取得一系列结果。而Ti-Al基合金的工程化应用必然要涉及到焊接问题。
钎焊是一种适于连接Ti-Al基合金的方法。当前国内外对Ti-Al基合金钎焊的研究绝大多数使用Al基、Ti基或Ag基钎料，对于Ti基钎料，钎焊接头室温剪切强度达到322MPa（S.J.Lee,S.K.Wu.Infrared joiningstrength and interfacial microstructures of Ti-48Al-2Nb-2Cr intermetallicsusing Ti-15Cu-15Ni foil.Intermetallics,1999,7:11-21），对于AgCu共晶钎料，钎焊接头剪切强度达到345MPa（R.K.Shiue,S.K.Wu,S.Y.Chen.Infrared brazing of TiAl intermetallic using Bag-8braze alloy.ActaMaterialia,2003,51:1991-2004），但由于受到钎料熔化温度的限制，钎焊接头的耐热温度明显低于TiAl材料本身能够承受的工作温度，适于Ti-Al基合金钎焊的高温钎料的研究还鲜见报道。而采用镍基高温钎料在接头内极易生成脆性金属间化合物，严重降低接头力学性能。国内哈工大何鹏使用TiH2、Ni、Si、C原料进行球磨制粉在1180°C/15min条件下钎焊TiAl合金室温及800°C剪切性能最高达到256MPa和207MPa。（Peng He,Duo Liu,Erjing Shang,Ming Wang.Materials Characterization,2009,60:p30-35.）
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其目的是提高接头室、高温性能。
本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：
本发明技术方案提出了一种用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其特征在于：该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：13.0～20.0，Ti余量，或Zr：20.0～30.0，Fe：7.0～12.9，Cu：2.0～8.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量。
上述技术方案中，所述钛-锆-铁基钎料在保证钎料熔化温度和钎料性能的基础上，通过减少钎料中与Ti元素反应剧烈的Cu、Ni元素的含量，甚至不添加Cu、Ni元素，并适当增加Fe元素含量，因为Fe元素与Ti元素反应程度较Cu、Ni元素与Ti元素反应程度弱，从而达到控制接头界面反应程度的目的，避免接头生成过多的脆性化合物相。
在上述技术方案的基础上，在不添加Cu、Ni元素的情况下，该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：14.0～18.0，Ti余量。该种配比，通过进一步降低Fe元素含量，目的是进一步控制钎料与TiAl或Ti3Al合金的界面反应程度，避免生成过多的Ti-Fe脆性化合物相，降低接头性能。
在添加Cu、Ni元素的情况下，该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：8.0～12.0，Cu：2.0～8.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量。该种配比的目的与上述相同，也是通过调整Fe元素含量，来实现控制界面反应程度，避免生成过多的脆性化合物相，降低接头性能。
在添加Cu、Ni元素的情况下，本发明技术方案还提出两种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：8.0～12.0，Cu：3.0～7.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量，或Zr：20.0～30.0，Fe：8.0～12.0，Cu：3.0～7.0，Ni：3.0～5.0，Ti余量。这两种配比是通过减少Cu、Ni元素的含量，进一步控制接头界面反应程度，避免接头生成过的的Ti-Cu、Ti-Ni或Ti-Cu-Ni脆性化合物相，降低接头性能。
本发明技术方案与传统的Ti-13Zr-21Cu-9Ni及Ti-15Cu-15Ni钎料相比，显著减少Cu、Ni元素含量，减少了接头中形成的脆性化合物相，钎焊温度可达到1030°C～1070°C，比Al基、Ag基、Ti基钎料的钎焊温度有明显提高，从而达到提高接头性能的目的。
附图说明
图1为采用本发明技术方案钎料钎焊TiAl/TiAl的接头组织的照片。
图2为采用本发明技术方案钎料钎焊Ti3Al/Ti3Al的接头组织的照片。
具体实施方式
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钎料的成份及重量百分比组成。
表1本发明技术方案所述钎料的成分及重量百分比
Figure BDA00002299592000031
Figure BDA00002299592000041
制备上述钎料的方法是，首先在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将此钎料原料按配比称取后熔炼成合金锭，原料为纯度不低于99.0%的高纯Ti、Zr、Ni、Cu、Fe，然后使用下述方法之一制备钎料：
(1)采用氩气雾化制粉设备制备粉末状钎料；
(2)在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷箔带钎料，对于单辊法快速凝固过程，单辊需以1000～10000r/min的高速度旋转，钎料锭块熔化形成液态后冷却速率介于103～106K/s之间；
(3)采用电火花线切割方法从合金锭上切出薄片，再将薄片正反面机械磨光；
(4)由两三种成分简单的合金薄带轧制成具有设计成分的钎料合金复合带；
(5)由合金锭通过多次室温轧制、热处理的工艺直接制成合金带材。
使用上述钎料进行钎焊的方法是：
(1)装配，根据连接接头的要求进行TiAl或Ti3Al材料之间的装配，在TiAl/TiAl或Ti3Al/Ti3Al的连接界面之间加入粉末状钎料、或急冷箔带钎料、或从合金锭上切出的钎料薄片、或两三种简单成分合金组合轧制而成的钎料复合带材、或由合金锭直接轧制而成的钎料合金带材；
(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热到1030oC～1070oC钎焊温度下进行TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头的连接，保温，再随炉冷却至室温，加热方式也可采用气体保护感应加热。
本发明钎料也可以以合金块体或由高纯度元素按配比混合后直接使用。
通过力学性能测试，采用表1所示的实施例1～30的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、钎料合金复合轧制带、急冷箔带、从钎料合金锭上切出钎料薄片、钎料合金带材使用，在1030oC～1070oC的钎焊温度下进行了TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头的连接，对应钎焊接头的室温剪切强度达300～380MPa，钎焊TiAl合金接头760oC剪切强度达到210～250MPa。钎焊Ti3Al合金接头650oC剪切强度达到330～370MPa，与室温强度保持在同等水平。
表2给出了本发明技术方案部分实施例钎焊TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头力学性能。对比实施例5、10接头力学性能发现，当钎料中Fe元素含量降低时，TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头室、高温剪切强度均有所提高。同样，对比实施例18、24、29接头力学性能，当钎料中Cu、Ni元素含量降低，TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头室、高温剪切强度均有所提高。
表2部分实施例钎焊TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头力学性能
Figure BDA00002299592000051
本专利钎料钎焊TiAl/TiAl及Ti3Al/Ti3Al接头室温强度与已报道的Ag基、Ti基钎料钎焊接头性能相当，但TiAl/TiAl和Ti3Al/Ti3Al接头高温强度明显高于已有报道水平。其中，TiAl/TiAl接头高温性能比已有报道的接头高温强度（207MPa）提高约20%。采用传统Ti-13Zr-21Cu-9Ni钎料在950oC/5min条件下钎焊Ti3Al/Ti3Al进行接头高温性能对比，Ti-13Zr-21Cu-9Ni钎料接头650oC剪切性能为200～220MPa，本专利钎料钎焊Ti3Al合金接头高温强度明显高于Ti-13Zr-21Cu-9Ni钎料钎焊接头高温强度，650oC剪切强度约提高65%。
从附图1、2可以看出，接头组织致密连续，焊缝与母材达到了良好的冶金结合。接头主要为灰色基体组织，中央区域化合物相较少。已有报道采用Ti-15Cu-15Ni钎料钎焊接头中，化合物相Ti-Cu-Ni比较多。

Claims (5)

1.一种用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其特征在于：该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：13.0～20.0，Ti余量，或Zr：20.0～30.0，Fe：7.0～12.9，Cu：2.0～8.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量。
2.根据权利要求1所述的用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其特征在于：该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：14.0～18.0，Ti余量。
3.根据权利要求1所述的用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其特征在于：该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：8.0～12.0，Cu：2.0～8.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量。
4.根据权利要求1所述的用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其特征在于：该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：8.0～12.0，Cu：3.0～7.0，Ni：2.0～6.0，Ti余量。
5.根据权利要求1所述的用于TiAl或Ti3Al合金钎焊的钛-锆-铁基钎料，其特征在于，该种钎料的化学成份及重量百分比为：Zr：20.0～30.0，Fe：8.0～12.0，Cu：3.0～7.0，Ni：3.0～5.0，Ti余量。
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