CN104858561B - 一种锆基高温合金钎料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锆基高温合金钎料及制备方法，所述钎料组分包括V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr，上述组分按质量百分数含量如下，V：5.0％～8.0％；Ta：2.0％～5.0％；Si：4.0％～6.0％；Sn：0.8％～1.6％；Cu：18％～25％；Cr：12％～15％；Fe：0.6％～1.0％；余量为Zr。本发明的锆基高温合金钎料润湿扩散能力强，钎料在不锈钢、W‑Cu复合材料和Si3N4陶瓷上的润湿角为12‑19°，相对常规的高温钎料，在高温条件下，本发明的锆基高温合金钎料拥有优异的高温性能，可以更好的润湿高温基体材料，可用来钎焊W‑Cu复合材料与不锈钢，以及不锈钢与Si3N4陶瓷。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料的连接的钎料，具体所指一种锆基高温合金钎料及制备方法，属于焊接技术领域。
背景技术
异种高温材料制作的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的贵金属材料，大大降低成本，发挥了不同材料的优越性能的作用。异种材料焊接结构在机械、电力、核工业、航空航天和国防军事等领域得到广泛应用，异种材料的焊接也越来越受到国内外的重视。但高温材料的连接问题，也导致其发展步伐缓慢。因此，急需研制一种新的连接材料解决上述问题，解决工程实际应用问题。
锆基高温合金钎料因其钎焊接头强度高、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨擦性、耐高温性以及中子吸收截面低等优异性能；在高温条件下，其具有良好的高温力学性能，特别适合高温合金的钎焊。近年来，国内外对锆基高温合金钎料的研究速度比较缓慢，而在钎料中加入活性元素(如Ta、V等)，改善了钎料的润湿性，以及与基体材料(如W-Cu、不锈钢、Si3N4陶瓷等)之间形成的化学冶金结合。因此锆基高温合金钎料具有广泛的应用前景。
在工业生产中，锆基合金有两个系列：锆锡系和锆铌系，主要应用在核工业中。在锆基合金钎料的选择原则是：一、不能明显的增加锆的热中子吸收截面；二、在提高锆的耐腐蚀性和强度的同时不能过多地损害工艺性能。而目前生产的锆基合金，主要成分为Zr-Cr-Al-W-Ni型五元合金，尽管其具有较高的强度和耐热性能。但在各种受冲击条件下，其使用性能不令人满意。在航空航天、国防军事领域需要具有高强度耐热性能的合金材料进行钎焊连接，尽管国内制造行业使用一些国产高温合金作为连接材料，但不足之处十分明显，对加工要求高的产品，寿命很短，甚至无法使用。随着实际生产对高温合金材料连接的不断提高，如何提高高温材料的连接质量与性能仍需进一步研究。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种锆基高温合金钎料及其制备方法，使用高纯度金属材料制备工业级钎料，能缓解连接缺陷，提高接头质量及力学性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种锆基高温合金钎料，所述钎料组分包括V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr，上述组分按质量百分数含量如下，V：5.0％～8.0％；Ta：2.0％～5.0％；Si：4.0％～6.0％；Sn：0.8％～1.6％；Cu：18％～25％；Cr：12％～15％；Fe：0.6％～1.0％；余量为Zr。
作为优选，所述V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr组分按质量百分数含量如下，V：6.5％；Ta：3.5％；Si：5％；Sn：1.2％；Cu：21.5％；Cr：13.5％；Fe：0.8％；余量为Zr。
一种锆基高温合金钎料的制备方法，包括以下步骤：
1)按质量百分数称取6.5％的V粉、3.5％的Ta粉、5.0％的Si片、1.2％的Sn粉、21.5％的Cu片、13.5％的Cr颗粒、0.8％的Fe颗粒和48％的Zr颗粒制得混合物；
2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封；
3)对步骤2得到的装有悬浊液的容器在20～40℃条件下进行超声清洗，超声180～300s，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；
4)将步骤3超声清洗后的混合物在室温到60℃的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；
5)将混合物V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
6)将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为1-2mm；
7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-1Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200mbar；
8)开启电机，使铜辊转速us＝28～32m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60-70s；
9)将Ar气气压调制P＝20～60kPa，用高压氩气将石英玻璃管内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20～100μm。
作为优选，所述步骤(2)中混合物与丙酮体积比为1：10～20。
作为优选，所述步骤(5)中石英玻璃管的喷嘴呈长方形，其长度为8-10mm，宽度为0.8-1.5mm。
作为优选，所述步骤(8)中铜辊直径为230mm，铜辊宽度为45mm。
有益效果：本发明的本发明与现有技术相比较，所具有的优点和有益效果主要体现在以下几方面：
(1)本发明的锆基高温合金钎料的钎焊温度在980-1080℃，钎料熔化温度低，钎料熔化均匀；
(2)本发明的锆基合金润湿扩散能力强，钎料在不锈钢、W-Cu复合材料和Si3N4陶瓷上的润湿角为12-19°，相对常规的高温钎料，在高温条件下，本发明的锆基高温合金钎料拥有优异的高温性能，可以更好的润湿高温基体材料，可用来钎焊W-Cu复合材料与不锈钢，以及不锈钢与Si3N4陶瓷；
(3)本发明的锆基高温合金钎料主要相组成是锆基γ固溶体和γ′相；锆基γ固溶体和γ′相分别起到固溶强化和第二相强化作用，这使得本钎料具有优异常温和高温性能；
(4)本发明获得的钎料的制备方法，工艺简单，实施方便快捷，钎料的制备可重复再现。
具体实施方式
一种锆基高温合金钎料,所述钎料组分包括V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr,加入元素Ta促进了γ′相的析出，延缓γ′相聚集长大过程，细化晶粒，因而提高了锆基高温合金钎料的高温强度。加入元素Si和Sn使钎料基体的溶解度降低，提高合金的流动性，不形成第二相固溶体，提高合金钎料的塑性和形成能力。加入元素V、Ta，由于这两种元素的原子半径与Zr相差较大增强了γ和γ′的固溶强化作用，不但提高了锆基高温合金钎料的原子间结合力、再结晶温度和扩散激活能，而且更加有效地提高合金钎料的热强性。加入元素Cu、Cr和Fe，使之形成γ固溶体和γ′相，而γ′相的固溶强化作用提高了钎料合金高温性能；Cu含量的增加有利于提高合金的塑性能力，而加入的Cr含量的增加有利于提高抗氧化性和固溶能力。
一种锆基高温合金钎料的制备方法，包括以下步骤：
1)按质量百分数称取6.5％的V粉、3.5％的Ta粉、5.0％的Si片、1.2％的Sn粉、21.5％的Cu片、13.5％的Cr颗粒、0.8％的Fe颗粒和48％的Zr颗粒制得混合物；
2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封，混合物与丙酮体积比为1：10～20。
3)对步骤2得到的装有悬浊液的容器在20～40℃条件下进行超声清洗，超声180～300s，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；
4)将步骤3超声清洗后的混合物在室温到60℃的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；
5)将混合物V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
6)将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为1-2mm；
7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-1Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200mbar；
8)开启电机，使铜辊转速us＝28～32m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60-70s；
9)将Ar气气压调制P＝20～60kPa，用高压氩气将石英玻璃管内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20～100μm。
本发明钎料中V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr的纯度为99.50％～99.90％。
钎料组分按质量百分数含量如下表：
实施例1至实施例4按照上述方法制备的钎料，其中本实施3所得到的锆基高温合金钎料为最佳成分比所制得的钎料，经测得锆基高温合金钎料的熔点为1065℃；采用本实施方式得到的锆基高温合金钎料在钎焊W-Cu复合材料与不锈钢后，经测得其接头强度为360MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种锆基高温合金钎料，其特征在于：所述钎料组分包括V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr，上述组分按质量百分数含量如下，V：5.0％～8.0％；Ta：2.0％～5.0％；Si：4.0％～6.0％；Sn：0.8％～1.6％；Cu：18％～25％；Cr：12％～15％；Fe：0.6％～1.0％；余量为Zr。
2.根据权利要求1所述的锆基高温合金钎料，其特征在于：所述V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr组分按质量百分数含量如下，V：6.5％；Ta：3.5％；Si：5％；Sn：1.2％；Cu：21.5％；Cr：13.5％；Fe：0.8％；余量为Zr。
3.一种权利要求2所述的锆基高温合金钎料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)按质量百分数称取6.5％的V粉、3.5％的Ta粉、5.0％的Si片、1.2％的Sn粉、21.5％的Cu片、13.5％的Cr颗粒、0.8％的Fe颗粒和48％的Zr颗粒制得混合物；
2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封；
3)对步骤2得到的装有悬浊液的容器在20～40℃条件下进行超声清洗，超声180～300s，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；
4)将步骤3超声清洗后的混合物在室温到60℃的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；
5)将混合物V、Ta、Si、Sn、Cu、Cr、Fe和Zr采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
6)将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为1-2mm；
7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-1Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200mbar；
8)开启电机，使铜辊转速us＝28～32m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60-70s；
9)将Ar气气压调制P＝20～60kPa，用高压氩气将石英玻璃管内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20～100μm。
4.根据权利要求3所述的锆基高温合金钎料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中混合物与丙酮体积比为1：10～20。
5.根据权利要求3所述的锆基高温合金钎料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中石英玻璃管的喷嘴呈长方形，其长度为8-10mm，宽度为0.8-1.5mm。
6.根据权利要求3所述的锆基高温合金钎料的制备方法，其特征在于：所述步骤(8)中铜辊直径为230mm，铜辊宽度为45mm。
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