CN104772584B - 原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法，具体为：钎料合金配制：钎料合金由纯铝、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金组成；称取5.30％~61.20％纯钛粉，将纯钛粉依次与无水乙醇和丙醇混合，分别搅拌，加热至全部挥发，得到钛合金粉；钎料熔炼：纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，熔炼，然后将铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，再加入六氯乙烷精炼；加入钛合金粉熔炼，然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中；再扒渣并撒上TiB，静置扒渣，浇铸得到TiAl3颗粒增强的复合钎料合金块；加工成型得到TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料。本发明保证钎料基体与TiAl3增强相之间良好结合，钎料力学性能好。
Description
技术领域
本发明涉及一种钎焊材料的制备方法，具体涉及原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法。
背景技术
碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有低密度、高比强度、高比刚度、高耐磨损性、良好的热稳定性和较小的热膨胀性等优异的物理和力学综合性能，被应用于某些特殊领域如航天、航空、光学等，成为新材料备受关注的焦点。但是要使碳化硅颗粒增强铝基复合材料广泛的应用于各个方面，其可靠连接是工程应用必须解决的重要问题，但由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料在制作结构件时，不可避免会涉及到焊接。
当这种碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接时，如果添加Zn基合金或者Al基合金等纯合金作为焊接材料，其焊缝密度约为母材的2倍，热膨胀系数约为母材的2.5倍，而弹性模量约为母材的1/3。因为母材与焊缝两部分线膨胀系数相差较大，导致这种纯合金焊缝在冷却过程中其收缩量大大高于母材的收缩量，会产生一定的残余应力。这种拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致整个结构件的早期破坏，大大限制了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的使用范围。并且碳化硅颗粒增强铝基复合材料在焊后热处理时，其残余应力释放过程也难于进行，加热温度太高，又容易导致基体软化，使构件变形过大，所以消除碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接接头的残余应力比较困难。
从根本上解决碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接接头的残余应力的问题就是要改变纯合金的焊缝组织。一种方法是在焊接时向钎料中直接添加增强相颗粒，如SiC颗粒、Al2O3颗粒等，是希望增强相在钎料中可以形成复合材料的钎缝，用以降低焊缝金属的变形，但是直接添加增强相与钎料难于润湿，在焊接温度较低时，钎料与直接添加的颗粒之间很难达到冶金结合的程度，未润湿界面成为焊缝的裂纹源，导致焊缝力学性能下降。为了提高焊接强度，也有研究人员使用多金属夹层钎料降低接头的热应力或强化接头连接合金层，但如何达到既焊接牢固又避免在焊接过程中对碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接接头损伤仍然没有较多办法。因为这些钎料通常有许多缺点，如在工作环境下力学性能差，难以保证钎焊接头的使用可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法，这种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法用于解决传统铝基钎料制备工艺复杂、钎料与母材润湿性能差的问题，并且还解决了碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接接头存在的热应力大、焊缝区域易磨损及工作强度较低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法如下：
一、钎料合金配制：钎料合金是由纯铝、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金组成的原料；
二、钛合金粉配制：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取质量百分含量5.30％~61.20％的纯钛粉，并将纯钛粉依次与无水乙醇和丙醇混合，再分别机械搅拌5~20分钟，然后加热70~90℃至乙醇和丙醇溶液全部挥发，得到钛合金粉；
三、钎料熔炼：将步骤一中纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向炉中充入氩气保护，在熔炼温度为700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后将铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在700~950℃的条件下保温5~20分钟，接着加入所述的合金总质量0.01％~2.1％的六氯乙烷精炼5~20分钟；在坩埚中加入步骤二得到的钛合金粉在700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中，施加频率为20~80千赫兹、振幅为20~50微米，不间断的施加超声波1~10分钟；再扒渣并均匀撒上细化剂TiB，静置5~20分钟之后扒渣，最后浇铸得到TiAl3颗粒增强的复合钎料合金块；
四、加工成型：采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为10~30毫米、厚度为2~3毫米的合金带，得到TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料。
上述方案中钎料合金配制方法为：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取22.85％~81.00％的纯铝、合金总质量中铜的含量为0.01％~13.60％的铝铜中间合金、合金总质量中镍的含量为0.80％~22.00％的铝镍中间合金、合金总质量中锰的含量为0.52％~13.00％的铝锰中间合金、合金总质量中硅的含量为0.06％~15.63％的铝硅中间合金，以进一步提高焊接质量。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明制备的复合钎料中TiAl3增强相由Ti粉与液态Al反应而原位生成，保证钎料基体与TiAl3增强相之间的良好结合，从而保证钎料的力学性能。
二、本发明在高温熔炼过程下施加超声波，可以保证TiAl3增强相均匀分布于钎料合金中，避免TiAl3增强相的偏聚，增加了颗粒的弥散强化作用，能够提高钎料最终的力学性能。
三、本发明在焊接时直接可以得到TiAl3颗粒增强的复合焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝后，接头的残余应力可以显著下降。
附图说明
图1是原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料微观组织图；
图2是原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的XRD图谱。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明：
实施例1：
这种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法如下：
一、钎料合金配制：钎料合金是由纯铝、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金组成的原料，以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取22％的纯铝、合金总质量中铜的含量为13％的铝铜中间合金、合金总质量中镍的含量为1％的铝镍中间合金、合金总质量中锰的含量为1％的铝锰中间合金、合金总质量中硅的含量为3％的铝硅中间合金；
二、钛合金粉配制：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取质量百分含量60％的纯钛粉，并将纯钛粉依次与无水乙醇和丙醇混合，再分别机械搅拌5分钟，然后加热70℃至乙醇和丙醇溶液全部挥发，得到钛合金粉；
三、钎料熔炼：将步骤一中纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向炉中充入氩气保护，在熔炼温度为700℃的条件下熔炼5分钟，然后将铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在700℃的条件下保温5分钟，接着加入所述的合金总质量0.01％的六氯乙烷精炼5分钟；在坩埚中加入步骤二得到的钛合金粉在700℃的条件下熔炼5分钟，然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中，施加频率为20千赫兹、振幅为20微米，不间断的施加超声波1分钟；再扒渣并均匀撒上细化剂TiB，静置5分钟之后扒渣，最后浇铸得到TiAl3颗粒增强的复合钎料合金块；
四、加工成型：采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为10毫米、厚度为2毫米的合金带，得到TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料。
实施例2：
这种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法如下：
一、钎料合金配制：钎料合金是由纯铝、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金组成的原料，以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取40％的纯铝、合金总质量中铜的含量为0.01％的铝铜中间合金、合金总质量中镍的含量为21.99％的铝镍中间合金、合金总质量中锰的含量为13.00％的铝锰中间合金、合金总质量中硅的含量为15％的铝硅中间合金；
二、钛合金粉配制：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取质量百分含量10％的纯钛粉，并将纯钛粉依次与无水乙醇和丙醇混合，再分别机械搅拌10分钟，然后加热80℃至乙醇和丙醇溶液全部挥发，得到钛合金粉；
三、钎料熔炼：将步骤一中纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向炉中充入氩气保护，在熔炼温度为800℃的条件下熔炼10分钟，然后将铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在800℃的条件下保温10分钟，接着加入所述的合金总质量1％的六氯乙烷精炼10分钟；在坩埚中加入步骤二得到的钛合金粉在800℃的条件下熔炼10分钟，然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中，施加频率为50千赫兹、振幅为35微米，不间断的施加超声波6分钟；再扒渣并均匀撒上细化剂TiB，静置10分钟之后扒渣，最后浇铸得到TiAl3颗粒增强的复合钎料合金块；
四、加工成型：采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为20毫米、厚度为3毫米的合金带，得到TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料。
实施例3：
这种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法如下：
一、钎料合金配制：钎料合金是由纯铝、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金组成的原料，以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取80％的纯铝、合金总质量中铜的含量为1％的铝铜中间合金、合金总质量中镍的含量为10％的铝镍中间合金、合金总质量中锰的含量为3％的铝锰中间合金、合金总质量中硅的含量为0.1％的铝硅中间合金；
二、钛合金粉配制：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取质量百分含量5.9％的纯钛粉，并将纯钛粉依次与无水乙醇和丙醇混合，再分别机械搅拌20分钟，然后加热90℃至乙醇和丙醇溶液全部挥发，得到钛合金粉；
三、钎料熔炼：将步骤一中纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向炉中充入氩气保护，在熔炼温度为950℃的条件下熔炼20分钟，然后将铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在950℃的条件下保温20分钟，接着加入所述的合金总质量2.1％的六氯乙烷精炼20分钟；在坩埚中加入步骤二得到的钛合金粉在950℃的条件下熔炼20分钟，然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中，施加频率为80千赫兹、振幅为50微米，不间断的施加超声波10分钟；再扒渣并均匀撒上细化剂TiB，静置20分钟之后扒渣，最后浇铸得到TiAl3颗粒增强的复合钎料合金块；
四、加工成型：采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为30毫米、厚度为3毫米的合金带，得到TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料。
Claims (2)
1.一种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法，其特征在于：这种原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法如下：
一、钎料合金配制：钎料合金是由纯铝、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金组成的原料；
二、钛合金粉配制：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取质量百分含量5.30％~61.20％的纯钛粉，并将纯钛粉依次与无水乙醇和丙醇混合，再分别机械搅拌5~20分钟，然后加热70~90℃至乙醇和丙醇溶液全部挥发，得到钛合金粉；
三、钎料熔炼：将步骤一中纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向炉中充入氩气保护，在熔炼温度为700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后将铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锰中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在700~950℃的条件下保温5~20分钟，接着加入所述的合金总质量0.01％~2.1％的六氯乙烷精炼5~20分钟；在坩埚中加入步骤二得到的钛合金粉在700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中，施加频率为20~80千赫兹、振幅为20~50微米，不间断的施加超声波1~10分钟；再扒渣并均匀撒上细化剂TiB，静置5~20分钟之后扒渣，最后浇铸得到TiAl3颗粒增强的复合钎料合金块；
四、加工成型：采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为10~30毫米、厚度为2~3毫米的合金带，得到TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料。
2.根据权利要求1所述的原位生成TiAl3颗粒增强的铝基复合钎料的制备方法，其特征在于：所述的钎料合金配制方法为：以钎料合金和钛合金粉的合金总质量为基数，按质量百分含量计，称取22.85％~81.00％的纯铝、合金总质量中铜的含量为0.01％~13.60％的铝铜中间合金、合金总质量中镍的含量为0.80％~22.00％的铝镍中间合金、合金总质量中锰的含量为0.52％~13.00％的铝锰中间合金、合金总质量中硅的含量为0.06％~15.63％的铝硅中间合金。
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