CN103240544A - 钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料及其制备方法，它涉及涉及高温钎焊材料及其制备方法。它要解决现有焊接C/C或C/SiC的高温钎料存在接头高温强度的保留率不高，接头性能差的问题。钎料由Ni、Zr或ZrH₂制成。方法1：一、称量Ni、Zr或ZrH₂；二、熔炼得到合金锭；三、制箔。方法2：一、称量Ni、Zr或ZrH₂；二、球磨得到混合粉末；三、加压制成箔片，清洗并干燥。本发明的高温钎料对C/C及C/SiC复合材料润湿性好；高温钎料在焊接过程中，主要生成两种组织，能够保证接头力学性能；钎料成分中不含有贵金属，成本较低；所含有的成分Zr，熔点为1852℃，能保证接头在600℃具有较高强度保留率。

Description

钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温钎焊材料及其制备方法。

背景技术

C/C及C/SiC复合材料具有低密度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数，以及在2000℃以内强度和模量随温度升高而增加等性能，因此成为航天航空领域重要的高温结构材料。然而C/C及C/SiC复合材料机械加工困难，不易加工成复杂形状，限制其在实际工程中的广泛应用。因此，实现它们自身或与其他材料的连接具有重要的应用价值。

C/C及C/SiC复合材料熔点较高，不能形成液相，普通的熔化焊，如TIG、MIG、激光焊、电子束焊等方法很难适应C/C及C/SiC复合材料的连接；扩散连接技术虽然可以连接C/C及C/SiC复合材料，但其连接温度较高，所获的接头强度分散性较大；钎焊技术是一种操作相对简便的连接技术，用其代替螺纹连接、铆接等可以明显地减轻构件质量，可以连接不同种类的材料，可在高温(或超低温)、高压和腐蚀介质(如硝酸)等十分复杂而苛刻的条件下工作。

现已报道的用于C/C及C/SiC复合材料直接钎焊的钎料有AgCuTi钎料，钯基钎料。由于AgCuTi钎料熔点低，钎焊接头无法满足450℃以上的高温使用性能。钯基钎料价格昂贵，限制了其在市场中的使用前景。名称为“一种镍基高温钎料及其制备方法(中国专利号：ZL201010218332.9，申请日：2010.7.6)”的专利提出了一种可用来焊接C/C及C/SiC的高温钎料，但该钎料制备工艺复杂、不易操作，无法保证钎料成分的均匀性，影响接头性能。名称为高温钎料“(中国专利号：ZL200910304354.4，申请日：2009.7.15)”的专利提出了一种可用于C/SiC复合材料连接的高温钎料，但由于该钎料中应用的主要成分Ti和Ni的熔点均不超过1670℃，因此接头高温强度的保留率不高。

发明内容

本发明目的是为了解决现有焊接C/C或C/SiC的高温钎料存在接头高温强度的保留率不高，接头性能差的问题，而提供钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料及其制备方法。

钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，按重量分数是由25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂制成。

制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂；

二、熔炼：将步骤一称量的各组分放入石墨坩埚中，在温度为1300℃～1800℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼20～120min，再经铸造，得到合金锭；

三、制箔：将步骤二得到的合金锭线切割制得厚度为0.1～0.5mm的箔片，然后将箔片的正反两面进行机械磨光，磨光至箔片表面粗糙度为10～20μm，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr、ZrH₂和Ni为金属粉末或箔片。

制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂；

二、将步骤一称量的各组分，按球料质量比为12～16∶1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护下，转速为250～350r/min的条件下，室温球磨3～4h，即得到混合粉末；

三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为0.01～2mm的箔片，将箔片用丙酮在频率为20KHz的超声中清洗15min，室温下干燥2h，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr、ZrH₂和Ni为金属粉末或箔片。

本发明的优点如下：

本发明制备所得的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，实现C/C复合材料、C/SiC复合材料自身或与金属的直接钎焊，焊接前不需要对钎料进行任何表面改性处理。本发明的高温钎料对C/C复合材料、C/SiC复合材料润湿性好。本发明的高温钎料在焊接过程中，主要生成两种组织，能够保证接头力学性能。本发明的钎料成分中不含有贵金属，成本较低；所含有的成分Zr，熔点为1852℃，能保证接头在600℃具有较高强度保留率。本发明获得的C/C复合材料与金属Nb的钎焊接头抗剪强度为19MPa，并且在600℃的接头抗剪强度仍为19MPa，强度保留率为100％。本发明获得的C/SiC复合材料与与金属Nb的钎焊接头强度为54MPa，并且在600℃的接头抗剪强度45MPa，强度保留率为83％。

附图说明

图1为采用实施例2中制备所得高温钎料，钎焊C/SiC复合材料和金属Nb的接头的电镜扫描。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，按重量分数是由25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂制成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，按重量分数是由30份的Ni、70份的Zr或ZrH₂制成。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或二不同的是所述的Ni纯度为99.0％～99.9％，Zr纯度为99.0％～99.9％，ZrH₂纯度为99.0％～99.9％。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂；

二、熔炼：将步骤一称量的各组分放入石墨坩埚中，在温度为1300℃～1800℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼20～120min，再经铸造，得到合金锭；

三、制箔：将步骤二得到的合金锭线切割制得厚度为0.1～0.5mm的箔片，然后将箔片的正反两面进行机械磨光，磨光至箔片表面粗糙度为10～20μm，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr、ZrH₂和Ni为金属粉末或箔片。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中按重量分数称取27份的Ni、73份的Zr或ZrH₂。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是步骤一中所述的Ni纯度为99.0％～99.9％，Zr纯度为99.0％～99.9％，ZrH₂纯度为99.0％～99.9％。其它步骤及参数与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二中在温度为1500℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼50min。其它步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤三中合金锭线切割制得厚度为0.2mm的箔片。其它步骤及参数与具体实施方式四至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤三中磨光至箔片表面粗糙度为15μm。其它步骤及参数与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂；

二、将步骤一称量的各组分，按球料质量比为12～16∶1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护下，转速为250～350r/min的条件下，室温球磨3～4h，即得到混合粉末；

三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为0.01～2mm的箔片，将箔片用丙酮在频率为20KHz的超声中清洗15min，室温下干燥2h，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr、ZrH₂和Ni为金属粉末或箔片。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是步骤一中按重量分数称取30份的Ni、70份的Zr或ZrH₂。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是步骤一中所述的Ni纯度为99.0％～99.9％，Zr纯度为99.0％～99.9％，ZrH₂纯度为99.0％～99.9％。其它步骤及参数与具体实施方式十或十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十至十二之一不同的是步骤二中按球料质量比为14∶1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护下，转速为300r/min的条件下，室温球磨3.5h。其它步骤及参数与具体实施方式十至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十至十三之一不同的是步骤二中所用磨球的材质为Al₂O₃，粒径为6mm。其它步骤及参数与具体实施方式十至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十至十四之一不同的是步骤三中混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为0.05～1.5mm的箔片。其它步骤及参数与具体实施方式十至十四之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十至十五之一不同的是步骤三中混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为1mm的箔片。其它步骤及参数与具体实施方式十至十五之一相同。

实施例1：

制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取27份的Ni、73份的ZrH₂；

二、熔炼：将步骤一称量的各组分放入石墨坩埚中，在温度为1500℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼90min，再经铸造，得到合金锭；

三、制箔：将步骤二得到的合金锭线切割制得厚度为0.2mm的箔片，然后将箔片的正反两面进行机械磨光，磨光至箔片表面粗糙度为15μm，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的ZrH₂和Ni为金属粉末。

实施例1中所用ZrH₂粉纯度为99.9％，Ni粉纯度为99.9％。

将C/C复合材料和金属Nb待焊表面的油污、氧化物用砂纸打磨去除，将C/C复合材料、金属Nb和本实验的高温钎料放入丙酮中，进行超声(超声频率为20KHz)清洗20分钟，然后在室温下晾干。按照从下到上金属Nb/实施例1中所得高温钎料箔片/C/C复合材料的形式进行装配，并在C/C复合材料表面施加2～3MPa的压力进行固定；将配置好的工件放入真空钎焊炉中进行加热，当真空度为1.0×10^-3Pa时，开始以速率10℃/min的速度加热到1130℃，保温10min，然后以10℃/min的速度降到400℃，然后随炉冷却至室温，即完成C/C复合材料和金属Nb的钎焊。

经力学性能测试，C/C复合材料和金属Nb的接头室温抗剪强度为19MPa，600℃高温抗剪强度为19MPa。

实施例2：

制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取27份的Ni、73份的ZrH₂；

二、熔炼：将步骤一称量的各组分放入石墨坩埚中，在温度为1600℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼90min，再经铸造，得到合金锭；

三、制箔：将步骤二得到的合金锭线切割制得厚度为0.2mm的箔片，然后将箔片的正反两面进行机械磨光，磨光至箔片表面粗糙度为15μm，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的ZrH₂和Ni为金属粉末。

实施例2中所用ZrH₂粉纯度为99.9％，Ni粉纯度为99.9％。

将C/SiC复合材料和金属Nb待焊表面的油污、氧化物用砂纸打磨去除，将C/C复合材料、金属Nb和本实验的高温钎料放入丙酮中，进行超声(超声频率为20KHz)清洗20分钟，然后在室温下晾干。按照从下到上为金属Nb/实施例2中所得高温钎料箔片/C/SiC复合材料的形式进行装配，并在C/SiC复合材料表面施加2～3MPa的压力进行固定；将配置好的工件放入真空钎焊炉中进行加热，当真空度为1.0×10^-3Pa时，开始以速率10℃/min的速度加热到1130℃，保温10min，然后以10℃/min的速度降到400℃，然后随炉冷却至室温，即完成C/SiC复合材料和金属Nb的钎焊。

经力学性能测试，C/SiC复合材料和金属Nb的接头室温抗剪强度为54MPa，600℃高温抗剪强度为45MPa。

对实施例2得到的C/SiC复合材料和金属Nb的接头进行电镜扫描，结果如图1所示。由图1可知，C/SiC复合材料一侧形成良好的冶金结合，接头具有良好的组织和力学性能。

实施例3：

制备钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取27份的Ni、73份的Zr；

二、将步骤一称量的各组分，按球料质量比为14∶1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护下，转速为300r/min的条件下，室温球磨3.5h，即得到混合粉末；

三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为1mm的箔片，将箔片用丙酮在频率为20KHz的超声中清洗15min，室温下干燥2h，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr和Ni为金属粉末。

实施例3中所用Zr粉纯度为99.9％，Ni粉纯度为99.9％。

将C/SiC复合材料和金属Nb待焊表面的油污、氧化物用砂纸打磨去除，将C/C复合材料、金属Nb和本实验的高温钎料放入丙酮中，进行超声(超声频率为20KHz)清洗20分钟，然后在室温下晾干。按照从下到上为金属Nb/实施例3中所得高温钎料箔片/C/SiC复合材料的形式进行装配，并在C/SiC复合材料表面施加2～3MPa的压力进行固定；将配置好的工件放入真空钎焊炉中进行加热，当真空度为1.0×10^-3Pa时，开始以速率10℃/min的速度加热到1130℃，保温10min，然后以10℃/min的速度降到400℃，然后随炉冷却至室温，即完成C/SiC复合材料和金属Nb的钎焊。

经力学性能测试，C/SiC复合材料和金属Nb的接头室温抗剪强度为52MPa，600℃高温抗剪强度为44MPa。

Claims (10)

1.钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，其特征在于钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，按重量分数是由25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂制成。

2.根据权利要求1所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，其特征在于钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，按重量分数是由30份的Ni、70份的Zr或ZrH₂制成。

3.根据权利要求1或2所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料，其特征在于所述的Ni纯度为99.0％～99.9％，Zr纯度为99.0％～99.9％，ZrH₂纯度为99.0％～99.9％。

4.制备如权利要求1所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法，其特征在于它按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂；

二、熔炼：将步骤一称量的各组分放入石墨坩埚中，在温度为1300℃～1800℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼20～120min，再经铸造，得到合金锭；

三、制箔：将步骤二得到的合金锭线切割制得厚度为0.1～0.5mm的箔片，然后将箔片的正反两面进行机械磨光，磨光至箔片表面粗糙度为10～20μm，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr、ZrH₂和Ni为金属粉末或箔片。

5.根据权利要求4所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤一中按重量分数称取27份的Ni、73份的Zr或ZrH₂。

6.根据权利要求4或5所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤二中在温度为1500℃、真空度为1×10^-3的条件下，熔炼50min。

7.根据权利要求6所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤三中磨光至箔片表面粗糙度为15μm。

8.制备如权利要求1所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的方法，其特征在于它按以下步骤进行：

一、称量：按重量分数称取25～35份的Ni、65～75份的Zr或ZrH₂；

二、将步骤一称量的各组分，按球料质量比为12～16∶1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护下，转速为250～350r/min的条件下，室温球磨3～4h，即得到混合粉末；

三、将步骤二得到的混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为0.01～2mm的箔片，将箔片用丙酮在频率为20KHz的超声中清洗15min，室温下干燥2h，即完成钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备；其中步骤一所述的Zr、ZrH₂和Ni为金属粉末或箔片。

9.根据权利要求8所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤二中按球料质量比为14∶1的比例放入石墨坩埚中，在氩气保护下，转速为300r/min的条件下，室温球磨3.5h。

10.根据权利要求8或9所述的钎焊C/C及C/SiC复合材料的高温钎料的制备方法，其特征在于步骤三中混合粉末采用压片机加压6×10⁸N/m²，得到厚度为1mm的箔片。

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