CN105195921A - 一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料及钎焊方法 - Google Patents

一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料及钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料及钎焊方法。复合钎料由Ag粉、Cu粉和Ti粉及碳纤维组成，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉及碳纤维混合成Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉在复合钎料中的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为1~18%。将球磨得到的复合钎料制成膏状涂覆在钛合金与Cf/LAS复合材料的连接待焊面上，将待焊件置于真空加热炉中加热保温，完成焊接。本发明实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达53.5MPa。本发明用于Cf/LAS复合材料与钛合金之间的焊接。

Description

一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料及钎焊方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种钎焊连接连续碳纤维增强的锂铝硅玻璃陶瓷基复合材料与钛合金的复合钎料及钎焊方法。
背景技术
连续碳纤维增强的锂铝硅玻璃陶瓷基复合材料(简称Cf/LAS复合材料)作为一种新复合材料，表现出了广泛的属性，包括高强度，高刚度，极佳的韧性，低密度和结构应用中独特的耐磨损性，成为一种很有优势的材料，同时它所具有的碳纤维的轴向热膨胀系数几乎为零甚至是负的热膨胀，使得它可以在热膨胀系数为零的方向上制造强度较高的材料，也可以替代结构材料。这种材料具有抗热震性能好和耐热冲击等优良的热机械性能，可以应用于高温热交换器、高温窗、雷达天线罩、各种精密设备和仪器设备的高科技系统，微电子学或光学精密设备等众多领域并且有望成为新一代激光材料。
尽管Cf/LAS复合材料具有许多其它工程材料所无法比拟的优点，但其脆性大、不耐冲击的弱点严重阻碍了它作为一种高性能的材料的使用。当需要较大尺寸或者复杂形状的Cf/LAS复合材料构件时，需要通过连接的手段将较小尺寸及形状简单的Cf/LAS复合材料实现可靠的连接。另外考虑到Cf/LAS复合材料的优异性能，不可避免的需要与其他材料进行连接，以充分发挥其潜在价值。
鉴于钛合金和Cf/LAS复合材料的综合优异性能，将两种材料连接到一起制备成复合构件，可以充分发挥两者的性能优势，特别是在高温结构零部件制造等方向，具有极大的应用前景。到目前为止关于钛合金和Cf/LAS复合材料连接的复合钎料及钎焊方法的文献报道较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提供了一种组成、配方合理，制作简单，能够实现钛合金与Cf/LAS复合材料可靠连接的复合钎料及钎焊方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其特征在于：其由Ag粉、Cu粉和Ti粉以及碳纤维组成，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为1~18%。
进一步，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为6~18%。。
进一步，所述碳纤维的长度为1~150μm。优选长度为20~100μm。
进一步，所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为200~400目。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其特征在于：其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为200~400目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为1~150μm，体积分数为1~18%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料；
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料；
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min；
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为200~600μm；
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为10℃/min~30℃/min，升温至850~920℃，然后保温0min~30min，再控制冷却速度为3℃/min~10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
本发明的有益效果是：本发明选用Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料，能够实现钛合金和Cf/LAS复合材料的有效连接。Ti通过与钛合金和Cf/LAS复合材料中的Si反应，形成化合物，实现连接；同时，Ti与碳纤维生成了TiC，从一定程度上提高了接头的力学性能。碳纤维在钎缝中起到细化接头界面组织作用，减少脆性相Ti-Cu化合物的生成，有利于提高接头强度。
本发明采用Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料连接钛合金和Cf/LAS复合材料，通过控制钎焊温度(850~920℃)和保温时间(0~30min)，以控制接头组织和性能，成功实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达53.5MPa。
本发明钛合金和Cf/LAS复合材料的成功连接，将钛合金和Cf/LAS复合材料的连接件用于高温结构的零部件，能有效提高现有零件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，具有极大的应用前景。
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。
实施例1：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其由Ag粉、Cu粉和Ti粉及碳纤维组成，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为18%。所述碳纤维的长度为1~150μm。所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为200~300目。所述Ti粉为氢化钛粉或二氧化钛粉或纯钛粉。
一种利用上述复合钎料连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为200~300目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为20~100μm，体积分数为整体复合钎料18%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料。
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料。
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min。
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为200~600μm。
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为10℃/min~30℃/min，升温至850~920℃，然后保温0min~30min，再控制冷却速度为3℃/min~10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷，实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的可靠连接。经测试，接头的室温剪切强度最高可达51.4MPa。
实施例2：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其由Ag粉、Cu粉和Ti粉及碳纤维组成，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为1%。所述碳纤维的长度为5~100μm。所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为300~400目。
一种利用上述复合钎料连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为300~400目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为5~100μm，体积分数为1%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料。
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料。
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min。
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为300~550μm。
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min，升温至880~900℃，然后保温5min~20min，再控制冷却速度为5℃/min，冷却至300℃。然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷，实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的可靠连接。经测试，接头的室温剪切强度最高可达48.8MPa。
实施例3：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其由Ag粉、Cu粉、Ti粉和碳纤维组成，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为6%。所述碳纤维的长度为20~100μm。所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为200~300目。
一种利用上述复合钎料连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为200~300目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为20~100μm，体积分数为6%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料。
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料。
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min。
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为200~600μm。
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为10℃/min~30℃/min，升温至850~920℃，然后保温0min~30min，再控制冷却速度为3℃/min~10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷，实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的可靠连接。经测试，接头的室温剪切强度最高可达52.4MPa。
实施例4：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为12%。所述碳纤维的长度为100~150μm。所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为200~400目。
一种利用上述复合钎料连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为200~400目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为100~150μm，体积分数为12%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料。
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料。
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min。
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为300~550μm。
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为20℃/min，升温至880~900℃，然后保温5min~20min，再控制冷却速度为5℃/min，冷却至300℃。然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷，实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的可靠连接。经测试，接头的室温剪切强度最高可达53.5MPa。
实施例5：一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为15%。所述碳纤维的长度为20~100μm。所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为200~300目。
一种利用上述复合钎料连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为200~300目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为20~100μm，体积分数为15%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料。
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料。
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min。
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为200~600μm。
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为10℃/min~30℃/min，升温至850~920℃，然后保温0min~30min，再控制冷却速度为3℃/min~10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
采用本实施方式获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷，实现了钛合金和Cf/LAS复合材料的可靠连接。经测试，接头的室温剪切强度最高可达53.1MPa。

Claims (7)

1.一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其特征在于：其所述Ag粉、Cu粉和Ti粉及碳纤维组成，所述Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，所述Ag-Cu-Ti活性钎料中Ag粉、Cu粉和Ti粉的质量分数分别为74.5%，21%和4.5%，所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为1~18%。
2.根据权利要求1所述的连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其特征在于：所述碳纤维在复合钎料中的体积分数为6~18%。
3.根据权利要求1所述的连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其特征在于：所述碳纤维的长度为1~150μm。
4.根据权利要求1所述的连接Cf/LAS复合材料与钛合金的复合钎料，其特征在于：所述的Ag粉、Cu粉和Ti粉的细度为200~400目。
5.一种连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其特征在于：其包括以下步骤：
（一）、制备复合钎料：在行星式球磨机中，将细度为200~400目、质量分数分别为74.5%，21%和4.5%的Ag粉、Cu粉和Ti粉混合组成Ag-Cu-Ti活性钎料，而后混合加入长度为20~100μm，体积分数为6~18%的碳纤维，在转速为100~300转/分的条件下，球磨0.5~2h，得到Ag-Cu-Ti+碳纤维复合钎料；
（二）、将钛合金用电火花线切割切成尺寸为10mm×10mm×5mm的块体，将Cf/LAS复合材料用半自动内圆切片机切割成尺寸为5mm×5mm×5mm的块体，得到待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料；
（三）、将步骤二中得到的待连接的钛合金和Cf/LAS复合材料的待焊连接面采用砂纸打磨后抛光，再将待焊的钛合金和Cf/LAS复合材料放入丙酮中超声清洗5~10min；
（四）、将复合钎料用丙酮混合成膏状，并将膏状复合钎料均匀涂覆在钛合金的待连接面上，再将Cf/LAS复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中，膏状复合钎料涂覆层的厚度为200~600μm；
（五）、将步骤四中得到的装配件放置在真空加热炉中，当真空度达到(1.3~2.0)×10-3Pa时，通电加热，控制升温速度为10℃/min~30℃/min，升温至850~920℃，然后保温0min~30min，再控制冷却速度为3℃/min~10℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却，即实现Cf/LAS复合材料与钛合金的连接。
6.根据权利要求5所述的连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其特征在于：所述步骤（四）中膏状复合钎料涂覆层的厚度为300~550μm。
7.根据权利要求5所述的连接Cf/LAS复合材料与钛合金的钎焊方法，其特征在于：所述步骤（五）中控制升温速度为20℃/min，升温至880~900℃，然后保温5min~20min，再控制冷却速度为5℃/min，冷却至300℃。
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