CN104625395A - Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法，该方法选取与Nb-Si系金属间化合物高温结构材料中的化学元素发生共晶反应的元素作为薄膜的成分元素，采用磁控溅射设备在待连接件表面沉积薄膜作为连接中间层进行高温结构材料的真空扩散连接，磁控溅射制得的薄膜与基体具有良好的结合力，膜层致密均匀，厚度在0.05～10μm之间，颗粒度可达纳米量级，具有较大的表面能，可以在低于常规扩散连接温度200～400℃条件下实现高温合金的连接。连接过程在一般真空扩散炉内即可实现，无需保护气氛，工艺简单易行。

Description

Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法
技术领域
本发明是一种Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法，属于高温结构材料连接技术领域。
背景技术
随着航空航天工业的发展，对发动机用高温结构材料提出了更高的要求。Nb-Si系金属间化合物由于其熔点高、密度低的特点，已经成为能够在1200-1400℃满足高性能发动机需求的最具潜力的涡轮叶片候选材料。就目前的研究状况和制造工艺而言，实现Nb-Si系金属间化合物高效气冷涡轮叶片制造的技术路线是：首先铸造实心叶片，然后剖开加工内部冷却通道，最后通过扩散焊方法连接组合成空心气冷叶片。扩散焊需要较高的温度和较长的时间，焊接温度约为0.8-0.85Tm，Tm为合金的熔化温度，Nb-Si系金属间化合物的熔点高于1700℃，其相应的扩散焊温度也高达1400℃，这对于目前的扩散焊设备而言都难以承受或无法实现，极大地限制了扩散焊技术在该种高温结构材料组合构件制造过程中的应用。
目前在铝合金、钛合金、高温合金的连接研究中，通过采用加入具有高扩散速率和高表面能活性的纳米薄膜的方法可降低焊接温度。固体薄膜材料尤其是纳米薄膜，在厚度这一特定方向上，尺寸很小，只是微观可测的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，增加了材料表面能，降低了熔点。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法，其目的是以纳米薄膜作为中间层，利用其较大的表面能实现在较低的温度下对Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊连接。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法，其特征在于：该方法的步骤为：
⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂纸逐级对两个待焊工件的表面进行磨光，然后将工件放在丙酮溶液中进行超声波清洗；
⑵采用磁控溅射工艺在两个待焊工件的表面制备纳米薄膜
2.1选取与Nb-Si系金属间化合物高温结构材料中的化学元素发生共晶反应的元素作为薄膜的成分元素；
2.2磁控溅射工艺的参数为：溅射功率：100～200W，工作气压：3～10mtorr，衬底温度：200℃～500℃，退火温度：400℃～800℃；
2.3纳米薄膜的颗粒度为10～100nm，纳米薄膜的厚度为0.05μm～2μm，
⑶将覆有纳米薄膜的两个待焊工件的表面对接好放入真空扩散炉内，对两个待焊工件的对接表面施加10～30MPa的压力，对炉内抽真空至2.0×10-3～4.0×10-3Pa时，以10℃/min的升温速率对炉内进行加热，升温至1050℃～1250℃并保温1～3h进行扩散焊连接，该过程中，调整并保持对两个待焊工件对接表面施加的压力恒定；
⑷扩散焊连接结束后，连接工件随炉冷却降温至150℃时卸载对接表面上的压力，然后降温至室温后取出。
用于制备纳米薄膜的成分元素为Ni。
本发明技术方案选取与Nb-Si系金属间化合物高温结构材料中的化学元素发生共晶反应的元素作为薄膜的成分元素，可以促进两个待焊工件对接表面元素的扩散，使纳米薄膜具有高扩散速率和高表面能高活性的优势，有效地降低反应温度，可在低于常规扩散连接温度的200～400℃条件下实现Nb-Si系金属间化合物的扩散焊连接，无需保护气氛，且生成的化合物具有较高的强度和塑性，保证了接头强度。
本发明技术方案采用磁控溅射的方法制备纳米薄膜，该方法虽然是一种常用的薄膜制备手段，但通过工艺参数的合理选取和控制，可以使制得的纳米薄膜与基体具有良好的结合力、膜层致密均匀，薄膜晶粒度可达纳米量级。
附图说明
图1为Nb-Si系金属间化合物在1100℃/30MPa/2h连接后的接头组织背散射电子像照片
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本实施例所述的Nb-Si系金属间化合物高温结构材料是以Nb(Ti)5Si3和Nb(Ti)Si3金属化间合物为主要物相的高温结构材料，其主要化学元素有Nb、Ti、Si、Al、Hf。待焊工件的尺寸为φ14mm×40mm的圆柱，待连接面为φ14mm的圆形平面。
扩散焊方法步骤为：
⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂纸逐级对两个待焊工件的表面进行磨光，然后将工件放在丙酮溶液中进行超声波清洗5～10min；
⑵采用纯度≥99.98wt％的纯镍靶经JCK-500型磁控溅射台在两个待焊工件的表面制备纳米薄膜；
2.1选取与Nb-Si系金属间化合物高温结构材料中的主要元素Nb、Ti、Si、Al等发生共晶反应的Ni元素作为薄膜的成分元素；
2.2磁控溅射工艺的参数为：溅射功率：100～200W，工作气压：3～10mtorr，衬底温度：200℃～500℃，退火温度：400℃～800℃；
2.3纳米薄膜的颗粒度为10～100nm，纳米薄膜的厚度为0.7μm；
⑶将覆有纳米薄膜的两个待焊工件的表面对接好放入真空扩散炉内，对两个待焊工件的对接表面施加30MPa的压力，对炉内抽真空至2.6×10-3Pa时，以10℃/min的升温速率对炉内进行加热，升温至1100℃并保温2h进行扩散焊连接，该过程中，调整并保持对两个待焊工件对接表面施加的压力恒定；
⑷扩散焊连接结束后，连接工件随炉冷却降温至150℃时卸载对接表面上的压力，然后降温至室温后取出。
用扫描电镜观察连接接头的组织形貌参见附图1所示，中间层镍薄膜与Nb-Si系金属间化合物母材基体结合良好，连接接头致密无孔洞，具有一定的连接强度。

Claims (2)

1.一种Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法，其特征在于：该方法的步骤为：
⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂纸逐级对两个待焊工件的表面进行磨光，然后将工件放在丙酮溶液中进行超声波清洗；
⑵采用磁控溅射工艺在两个待焊工件的表面制备纳米薄膜
2.1选取与Nb-Si系金属间化合物高温结构材料中的化学元素发生共晶反应的元素作为薄膜的成分元素；
2.2磁控溅射工艺的参数为：溅射功率：100～200W，工作气压：3～10mtorr，衬底温度：200℃～500℃，退火温度：400℃～800℃；
3.3纳米薄膜的颗粒度为10～100nm，纳米薄膜的厚度为0.05μm～2μm，
⑶将覆有纳米薄膜的两个待焊工件的表面对接好放入真空扩散炉内，对两个待焊工件的对接表面施加10～30MPa的压力，对炉内抽真空至2.0×10-3～4.0×10-3Pa时，以10℃/min的升温速率对炉内进行加热，升温至1050℃～1250℃并保温1～3h进行扩散焊连接，该过程中，调整并保持对两个待焊工件对接表面施加的压力恒定；
⑷扩散焊连接结束后，连接工件随炉冷却降温至150℃时卸载对接表面上的压力，然后降温至室温后取出。
2.根据权利要求1所述的Nb-Si系金属间化合物高温结构材料的扩散焊方法，其特征在于：用于制备纳米薄膜的成分元素为Ni。
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