CN105127536A - 一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用Cu纳米钎料钎焊钛合金的方法，具体步骤为：采用氧化还原法制备纳米铜，并对纳米铜颗粒进行真空干燥；将待焊的钛合金进行钎焊前化学清理，彻底去除氧化膜和油污得待焊件；将待焊件通过装配夹具安装，并使焊缝处的间隙在0.01～0.1mm之间，然后将粉末状纳米铜钎料匀涂于待焊件的上层基体和下层基体相对应的待焊表面之间，得到钎焊装配件；将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，抽真空、升温、保温得到使用纳米铜钎料钎焊钛合金的焊件，本发明不但可以增强钎料在钛合金基体表面的润湿性，还可以增加原子的扩散能力，有利于在钎缝中形成互溶、共晶和适当数量的金属间化合物，从而大大提高钎缝的致密性和接头强度。

Description

一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法
技术领域
本发明涉及材料钎焊连接技术领域，具体地说是一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法。
背景技术
钛是20世纪50年代初走向工业化生产的一种重要金属。钛合金是以钛为基体金属并加入适量其它合金元素组成的合金。钛合金具有密度小、重量轻，热膨胀系数小，导热性低及耐蚀性佳等特点，在航空航天和化工等行业中应用极为广泛。钎焊是实现钛合金结构整体化、拓展其应用范围的重要途径。
纳米材料由纳米粒子组成，是指所研究物质的尺度在1~100nm范围之间，它的性质既不同于一般的原子、分子，也不同于普通宏观物质，是以一种具有特殊性能的微粒为基本单元构成的材料。纳米材料由于其具有尺寸小、比表面积大以及量子尺寸效应等特性，在科学技术的发展中发挥着越来越多的作用，在各个科学领域都受到人们广泛的关注。纳米铜是一种具有良好延展性、导热率和导电率的材料，其价格远远低于其他贵金属。纳米铜所表现出的优良性能，使其在诸多方面有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可以满足焊接使用的组织要求，同时提高接头强度的使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于步骤为：
步骤1、采用氧化还原法制备纳米铜，并对纳米铜颗粒进行真空干燥；
步骤2、将待焊的钛合金进行钎焊前化学清理，彻底去除氧化膜和油污得待焊件；
步骤3、将待焊件通过装配夹具安装，并使焊缝处的间隙在0.01～0.1mm之间，焊缝是指待焊件经装配夹具安装后形成的上层基体和下层基体间的缝隙，然后将粉末状纳米铜钎料匀涂于待焊件的上层基体和下层基体相对应的待焊表面之间，得到钎焊装配件；
步骤4、将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，抽真空至1.0×10-3～1.5×10-3Pa，然后以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至940-1000°C并保温5-20min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温得到使用纳米铜钎料钎焊钛合金的焊件。
本发明步骤1中采用的氧化还原法是在水热/溶剂热工艺条件下进行，将1g葡萄糖和0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶于35mL去离子水中，然后再加入0.25g硫酸铜，将溶液转至水热反应釜中，于160°C下反应3小时。所得产物分别用无水乙醇和去离子水清洗3次，然后置于60°C真空干燥箱下干燥4小时。
本发明步骤2中将钛合金进行钎焊前化学清理，是采用SiC砂纸将搭接面打磨至1000目，然后将待焊试样放入丙酮中超声清洗10min。
本发明步骤3中将待焊件通过装配夹具安装，保证焊缝处的间隙在0.08mm内，纳米Cu钎料均匀地覆盖在焊缝处。
本发明步骤4中的钎焊温度为940-1000°C，钎焊时间为5-20min。
本发明从理论上说，纳米技术用于钎焊的优越性在于：①随着纳米颗粒粒径的减小，比表面积增大、表面原子数增多，表面原子配位不饱和性，致使纳米颗粒化学活性增强，从而提高钎焊过程润湿性；②由于钎料粒径减小到纳米级，作为原子快速扩散通道的晶界增多，原子在纳米结构内的扩散速率将会大大提高；③由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减少，当振幅达到晶格常数的10％-20％时，结晶体便开始熔化，使纳米晶粒的熔点远低于块体，从而可以在较低的温度下实现钎接。因此，将纳米技术引入到钛合金钎焊工艺的研究中来，不但可以增强钎料在钛合金基体表面的润湿性，还可以增加原子的扩散能力，有利于在钎缝中形成互溶、共晶和适当数量的金属间化合物，从而大大提高钎缝的致密性和接头强度。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述：
一种使用Cu纳米钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于通过以下步骤实现：
步骤1、采用氧化还原法制备纳米铜，并对纳米铜颗粒进行真空干燥，氧化还原法是在水热/溶剂热工艺条件下进行，将1g葡萄糖和0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶于35mL去离子水中，然后再加入0.25g硫酸铜，将溶液转至水热反应釜中，于160°C下反应3小时。所得产物分别用无水乙醇和去离子水清洗3次，然后置于60°C真空干燥箱下干燥4小时，
步骤2、将待焊的钛合金进行钎焊前化学清理，彻底去除氧化膜和油污得待焊件，将钛合金进行钎焊前化学清理，是采用SiC砂纸将搭接面打磨至1000目，然后将待焊试样放入丙酮中超声清洗10min。
步骤3、将待焊件通过装配夹具安装，并使焊缝处的间隙在0.01～0.1mm之间，焊缝是指待焊件经装配夹具安装后形成的上层基体和下层基体间的缝隙，然后将粉末状纳米铜钎料匀涂于待焊件的上层基体和下层基体相对应的待焊表面之间，得到钎焊装配件，将待焊件通过装配夹具安装，保证焊缝处的间隙在0.08mm内，纳米Cu钎料均匀地覆盖在焊缝处，
步骤4、将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，抽真空至1.0×10-3～1.5×10-3Pa，然后以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至940-1000°C并保温5-20min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温得到使用纳米铜钎料钎焊钛合金的焊件，最佳的钎焊温度为940-1000°C，钎焊时间为5-20min，本发明从理论上说，纳米技术用于钎焊的优越性在于：①随着纳米颗粒粒径的减小，比表面积增大、表面原子数增多，表面原子配位不饱和性，致使纳米颗粒化学活性增强，从而提高钎焊过程润湿性；②由于钎料粒径减小到纳米级，作为原子快速扩散通道的晶界增多，原子在纳米结构内的扩散速率将会大大提高；③由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减少，当振幅达到晶格常数的10％-20％时，结晶体便开始熔化，使纳米晶粒的熔点远低于块体，从而可以在较低的温度下实现钎接。因此，将纳米技术引入到钛合金钎焊工艺的研究中来，不但可以增强钎料在钛合金基体表面的润湿性，还可以增加原子的扩散能力，有利于在钎缝中形成互溶、共晶和适当数量的金属间化合物，从而大大提高钎缝的致密性和接头强度。
实施例1：本实施方式的步骤包括：（1）将1g葡萄糖和0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶于35mL去离子水中，然后再加入0.25g硫酸铜，将溶液转至水热反应釜中，于160°C下反应3小时。所得产物分别用无水乙醇和去离子水清洗3次，然后置于60°C真空干燥箱下干燥4小时；（2）将钛合金用SiC砂纸将搭接面打磨至1000目，然后将待焊试样放入丙酮中超声清洗10min；（3）将待焊件通过装配夹具安装，并保证焊缝处的间隙为0.05mm，然后将粉末状纳米Cu钎料置于上层基体和下层基体的被焊表面之间，并涂匀，得到钎焊装配件；（4）将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，抽真空至1.0×10-3～1.5×10-3Pa，然后以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至940°C并保温20min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温得到使用纳米铜钎料钎焊钛合金的焊件。
实施例2：本实施例与实施例1的不同点在于步骤（1）中采用的氧化还原法未加入聚乙烯吡咯烷酮，其它步骤与实施例1相同。
实施例3：本实施例与实施例1的不同点在于步骤（3）中焊缝处的间隙为0.08mm，其它步骤与实施例1相同。
实施例4：：本实施例与实施例1的不同点在于步骤（4）中以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至960°C并保温15min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温，其它步骤与具体实施例1相同。
实施例5：本实施例与实施例1的不同点在于步骤（4）中以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至980°C并保温10min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温。其它步骤与实施例1相同。
实施例6：本实施例与实施例1的不同点在于步骤（4）中以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至1000°C并保温5min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温。其它步骤与实施例1相同。
具体实施例7：本实施例与实施例6的不同点在于步骤（4）中以10°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以10°C/min的速度，升温至1000°C并保温5min。其它步骤与实施例6相同。

Claims (5)

1.一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于步骤为：
步骤1、采用氧化还原法制备纳米铜，并对纳米铜颗粒进行真空干燥；
步骤2、将待焊的钛合金进行钎焊前化学清理，彻底去除氧化膜和油污得待焊件；
步骤3、将待焊件通过装配夹具安装，并使焊缝处的间隙在0.01～0.1mm之间，焊缝是指待焊件经装配夹具安装后形成的上层基体和下层基体间的缝隙，然后将粉末状纳米铜钎料匀涂于待焊件的上层基体和下层基体相对应的待焊表面之间，得到钎焊装配件；
步骤4、将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，抽真空至1.0×10-3～1.5×10-3Pa，然后以20°C/min的速度，升温至800°C，保温10min，再以20°C/min的速度，升温至940-1000°C并保温5-20min，然后以10°C/min的速度，降温到600°C，随后随炉冷却至室温得到使用纳米铜钎料钎焊钛合金的焊件。
2.根据权利要求1所述的一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于步骤1中采用的氧化还原法是在水热/溶剂热工艺条件下进行，将1g葡萄糖和0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶于35mL去离子水中，然后再加入0.25g硫酸铜，将溶液转至水热反应釜中，于160°C下反应3小时，所得产物分别用无水乙醇和去离子水清洗3次，然后置于60°C真空干燥箱下干燥4小时。
3.根据权利要求1所述的一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于步骤2中将钛合金进行钎焊前化学清理，是采用SiC砂纸将搭接面打磨至1000目，然后将待焊试样放入丙酮中超声清洗10min。
4.根据权利要求1所述的一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于步骤3中将待焊件通过装配夹具安装，保证焊缝处的间隙在0.08mm内，纳米Cu钎料均匀地覆盖在焊缝处。
5.根据权利要求1所述的一种使用纳米铜钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于步骤4中的钎焊温度为940-1000°C，钎焊时间为5-20min。
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