CN103264235A - 一种复合钎料及制备方法以及利用该复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种复合钎料及制备方法以及利用该复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，本发明涉及一种复合钎料及制备方法以及利用该复合钎料钎焊复合材料的方法。本发明要解决目前单一钎料钎焊钛基复合材料难于得到具有高的高温强度接头的问题。一种复合钎料由TiZrCuNi非晶箔片和TiB₂颗粒制成;利用粘结剂将TiB₂颗粒均匀涂覆在TiZrCuNi非晶箔片的表面，完成复合钎料的制备方法;钎焊方法:一、打磨母材;二、清洗母材;三、钎焊。采用本发明制备的复合钎料，可以实现TiBw/TC4钛基复合材料的有效连接，连接接头具有较高的高温强度。本发明制备的复合钎料用于钎焊TiBw/TC4钛基复合材料。

Description

一种复合钎料及制备方法以及利用该复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种复合钎料及制备方法以及利用该复合钎料钎焊复合材料的方法。

背景技术

钛合金作为一类重要的工程材料，具有低密度、高室温强度等优点，被广泛应用于航空航天、化工、生物医学和海洋工程等领域。然而，钛合金耐磨性较差、高温强度较低等缺点在很大程度上限制了钛合金的应用。向铁合金中加入高强度、高硬度陶瓷增强体制备的钛基复合材料，可以显著提高其室温机械性能和高温蠕变强度，从而使它们在商业汽车，航空航天和先进军事上得到进一步的应用。

钛基复合材料增强体按其在基体中分布状态可以分为连续纤维和非连续晶须或颗粒。非连续增强钛基复合材料保持了连续纤维增强钛基复合材料的优点，同时具有制备工艺简单、成本低等优势。与传统非连续晶须/颗粒增强钛基复合材料相比，原位自生晶须/颗粒增强钛基复合材料中的增强体与金属基体界面无杂质，结合牢固;因此，原位自生非连续增强钛基复合材料是目前的重要研究方向。对于钛基体材料，TiB晶须(TiBw)被认为是最佳增强相，一方面其具有高弹性模量、高硬度的优点，而且化学性质稳定，可稳定的存在于基体中。另一方面其与基体钛之间有非常相近的密度和热膨胀系数，与钛基体材料具有好的相容性，可有效降低复合材料中的残余应力。TiBw增强体可以用钛粉和硼粉(亦或TiB₂粉)通过高温反应在钛基复合材料中原位生成。此种在钛基复合材料中原位合成陶瓷增强体的该方法成本较低，而且合成的增强体可与基体材料形成良好的润湿，如图1所示。采用原位合成TiBw，能够有效增加增强体与基体之间的界面结合强度，不但可以提高复合材料的本征强度，而且相对基体而言具有更高的耐磨性，从而使得TiBw/Ti复合材料具有更广阔的应用。

然而TiBw/Ti复合材料的基体与增强体物性的不同，也给它的再次加工成型带来了很大的难度，使得这种先进材料的连接成为难点，不利于其大规模实用化的实现。目前对于钛基复合材料连接技术的研究相对较少，尚未有较为成熟的钛基复合材料焊接技术。而且现有的连接方法研究大都针对于连续纤维增强钛基复合材料，针对于非连续增强钛基复合材料的连接研究甚少。

发明内容

本发明要解决目前单一钎料钎焊钛基复合材料难于得到具有高的高温强度接头的问题，而提供的一种复合钎料及制备方法以及利用该复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法。

一种复合钎料由TiZrCuNi非晶箔片和TiB₂颗粒制成的，其中TiZrCuNi非晶箔片的厚度为30μm～40μm，TiB₂颗粒的粒径为1μm～8μm。

上述的复合钎料的制备方法，具体是按照以下步骤制备的:

利用粘结剂将TiB₂颗粒均匀涂覆在TiZrCuNi非晶箔片的表面，完成复合钎料的制备方法，其中粘结剂由羟乙基纤维素和蒸馏水组成，羟乙基纤维素与蒸馏水的质量比为1:98～99。

利用上述复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，具体是按照以下步骤完成的:

一、依次用400#、600#、800#金相砂纸将TiBw/TC4钛基复合材料打磨至表面光亮，得到母材;

二、将步骤一得到的母材浸入丙酮中，超声清洗时间为10min～40min，再用无水乙醇冲洗，然后风干，得到待焊的母材;

三、将步骤二得到的母材之间放入复合钎料，压紧，再放入真空炉中，控制真空度为1.3×10^-3pa，加热速率为10℃/min～2O℃/min，加热至温度为300℃，保温时间为2Omin～4Omin，然后控制加热速率为1O℃/min～2O℃/min，加热至钎焊温度为950℃～100O℃，进行钎焊连接，保温时间为1Omin～2Omin，压力为1.63×10³Pa，完成利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法。

上述复合钎料为Ti-Zr-Ni-Cu+TiB₂复合钎料。

本发明利用Ti-Zr-Ni-Cu+TiB₂复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料，使用复合钎料在钎焊过程中，发生反应:TiB₂+Ti＝2TiB，生成的TiB呈晶须状，在焊缝中均匀分布，可以起到钉扎金属间化合物，降低金属间化合物尺寸，减少化合物含量的作用，使焊缝具有较高的高温强度和刚度。

本发明的有益效果是:

采用本发明制备的Ti-Zr-Ni-Cu+TiB₂复合钎料，可以实现TiBw/TC4钛基复合材料的有效连接，连接接头具有较高的高温强度。采用TiB₂体积含量为10%的复合钎料，在980℃保温10min钎焊TiBw/TC4钛基复合材料，对获得的接头在600℃进行压缩剪切试验，其剪切强度可达437MPa，接头的强度和剪切模量均高于相同工艺下的使用单一Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料得到的接头性能。

本发明制备的复合钎料用于钎焊TiBw/TC4钛基复合材料。

附图说明

图1为实施例一中TiBw/TC4钛基复合材料的扫描电镜图;

图2为实施例一中复合钎料中TiB₂颗粒的含量为20vol.%、钎焊温度为980℃，进行钎焊连接，保温时间为20min，钎焊TiBw/TC4钛基复合材料接头的二次电子像，其中区域1为焊缝;

图3为实施例一中复合钎料中TiB₂颗粒的含量为2Ovol.%、钎焊温度为980℃，进行钎焊连接，保温时间为20min，钎焊TiBw/TC4钛基复合材料接头的焊缝的二次电子像。

具体实施方式

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

具体实施方式一:本实施方式一种复合钎料，由TiZrCuNi非晶箔片和TiB₂颗粒制成的，其中TiZfCuNi非晶箔片的厚度为30μm～40μm，TiB₂颗粒的粒径为1μm～8μm。

具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同是:复合钎料中TiB₂颗粒的体积百分含量为3%～20%。

具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同是:复合钎料中TiB₂颗粒的体积百分含量为5%～10%。

具体实施方式四:制备实施方式一所述的一种复合钎料的方法，具体是按照以下步骤制备的:

利用粘结剂将TiB₂颗粒均匀涂覆在TiZrCuNi非晶箔片的表面，完成复合钎料的制备方法，其中粘结剂由羟乙基纤维素和蒸馏水组成，羟乙基纤维素与蒸馏水的质量比为1:98～99。

具体实施方式五:利用实施方式一所述的复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，具体是按照以下步骤完成的:

一、依次用400#、600#、800#金相砂纸将TiBw/TC4钛基复合材料打磨至表面光亮，得到母材;

二、将步骤一得到的母材浸入丙酮中，超声清洗时间为10min～40min，再用无水乙醇冲洗，然后风干，得到待焊的母材;

三、将步骤二得到的母材之间放入实施方式一所述的复合钎料，压紧，再放入真空炉中，控制真空度为1.3×1O^-3Pa，加热速率为10℃/min～2O℃/min，加热至温度为300℃，保温时间为20min～40min，然后控制加热速率为1O℃/min～2O℃/min，加热至钎焊温度为950℃～100O℃，进行钎焊连接，保温时间为10min～20min，压力为1.63×10³Pa，完成利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法。

采用具体实施方式一制备的Ti-Zr-Ni-Cu+TiB₂复合钎料，可以实现TiBw/TC4钛基复合材料的有效连接，连接接头具有较高的高温强度。采用TiB₂体积含量为10%的复合钎料，在980。℃保温10min钎焊TiBw/TC4钛基复合材料，对获得的接头在600℃进行压缩剪切试验，其剪切强度可达437MPa，接头的强度和剪切模量均高于相同工艺下的使用单一Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料得到的接头性能。

具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式五不同的是:步骤二中超声清洗时间为18min～30min。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式五或六不同的是:步骤二中超声清洗时间为20min。其它与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式五不同的是:步骤三中加热至温度为300℃，保温时间为30min。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式五不同的是:步骤三中加热至钎焊温度为980℃，进行钎焊连接。其它与具体实施方式五相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果:

实施例一:

本实施例利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，具体是按照以下步骤完成的:

一、依次用400#、600#、800#金相砂纸将TiBw/TC4钛基复合材料打磨至表面光亮，得到母材;

二、将步骤一得到的母材和TiZrCuNi非晶箔片浸入丙酮中，超声清洗时间为30min，再用无水乙醇冲洗，然后风干，得到待焊的母材和TiZrCuNi非晶箔片;

三、利用粘结剂将TiB₂颗粒均匀涂覆在步骤二得到的TiZrCuNi非晶箔片的表面，得到复合钎料，其中粘结剂由羟乙基纤维素和蒸馏水组成，羟乙基纤维素与蒸馏水的质量比为1:99，TiZrCuNi非晶箔片的厚度为40μm，TiB₂颗粒的粒径为5μm;

四、将步骤二得到的母材之间放入步骤三得到的复合钎料，压紧，再放入真空炉中，控制真空度为1.3×10^-3Pa，加热速率为10℃/min，加热至温度为300℃，保温时间为30min，然后控制加热速率为10℃/min，加热至钎焊温度为950℃～100O℃，进行钎焊连接，其中保温时间为10min～20min，压力为1.63×1O³Pa，完成利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法。

其中步骤三中复合钎料中TiB₂颗粒的体积百分含量为3vol.%～20vol.%。

本实施例中TiBw/TC4钛基复合材料的扫描电镜图如图1所示。

本实施例中复合钎料中TiB₂颗粒的含量为2Ovol.%、钎焊温度为980℃，进行钎焊连接，保温时间为20min，钎焊TiBw/TC4钛基复合材料接头的二次电子像如图2所示，其中区域1为焊缝。

本实施例中复合钎料中TiB₂颗粒的含量为2Ovol.%、钎焊温度为980℃，进行钎焊连接，保温时间为20min，钎焊TiBw/TC4钛基复合材料接头的焊缝的二次电子像如图3所示。

本实施例利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的力学测试结果如下表所示:

实验结果表明，采用本发明制备的Ti-Zr-Ni-Cu+TiB₂复合钎料，可以实现TiBw/TC4钛基复合材料的有效连接，连接接头具有较高的高温强度。采用TiB₂体积含量为10%的复合钎料，在980℃保温10min钎焊TiBw/TC4钛基复合材料，对获得的接头在600℃进行压缩剪切试验，其剪切强度可达437MPa，接头的强度和剪切模量均高于相同工艺下的使用单一Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料得到的接头性能。

Claims (9)

1.一种复合钎料，其特征在于一种复合钎料由TiZrCuNi非晶箔片和TiB₂颗粒制成的，其中TiZrCuNi非晶箔片的厚度为30μm～40μm，TiB₂颗粒的粒径为1μm～8μm。

2.根据权利要求1所述的复合钎料，其特征在于复合钎料中TiB₂颗粒的体积百分含量为3%～20%。

3.根据权利要求2所述的复合钎料，其特征在于复合钎料中TiB₂颗粒的体积百分含量为5%～10%。

4.制备权利要求1所述的一种复合钎料的方法，其特征在于复合钎料的制备方法，具体是按照以下步骤制备的:

利用粘结剂将TiB₂颗粒均匀涂覆在TiZrCuNi非晶箔片的表面，完成复合钎料的制备方法，其中粘结剂由羟乙基纤维素和蒸馏水组成，羟乙基纤维素与蒸馏水的质量比为1:98～99。

5.利用权利要求1所述的复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，其特征在于利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，具体是按照以下步骤完成的:

一、依次用400#、600#、800#金相砂纸将TiBw/TC4钛基复合材料打磨至表面光亮，得到母材;

二、将步骤一得到的母材浸入丙酮中，超声清洗时间为10min～40min，再用无水乙醇冲洗，然后风干，得到待焊的母材;

三、将步骤二得到的母材之间放入权利要求1所述的复合钎料，压紧，再放入真空炉中，控制真空度为1.3×1O^-3Pa，加热速率为10℃/min～20℃/min，加热至温度为300℃，保温时间为20min～40min，然后控制加热速率为10℃/min～20℃/min，加热至钎焊温度为950℃～100O℃，进行钎焊连接，保温时间为10min～2０min，压力为1.63×1O³pa，完成利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法。

6.根据权利要求5所述的利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，其特征在于步骤二中超声清洗时间为18min～30min。

7.根据权利要求6所述的利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，其特征在于步骤二中超声清洗时间为20min。

8.根据权利要求5所述的利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，其特征在于步骤三中加热至温度为300℃，保温时间为30min。

9.根据权利要求5所述的利用复合钎料钎焊TiBw/TC4钛基复合材料的方法，其特征在于步骤三中加热至钎焊温度为980℃，进行钎焊连接。

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