CN106112310A - 一种用于ZrB2‑SiC超高温陶瓷钎焊的钎料及采用该钎料进行钎焊的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于ZrB2‑SiC超高温陶瓷钎焊的钎料及采用该钎料进行钎焊的工艺，该钎料包括：Cu、Ti、Zr、Ni及Co；其钎焊工艺包括将各原料混合后制成钎焊材料装配于ZrB2‑SiC超高温陶瓷上，制成焊接试样，将该焊接试样置于真空钎焊设备中，采用升温‑保温‑再升温‑保温的模式升至910～1000℃，随后冷却至室温，即可。优点为本发明钎料的熔化温度适中，钎料熔化均匀；同时本发明采用真空钎焊工艺，使得母材在加热过程中处于真空状态中，无变形和晶粒粗化的现象，不会出现氧化、污染等问题，稳定可靠，且表面润湿铺展性较好，有利于填充钎缝，提高了接头的综合性能，因而能获得性能优异的钎焊接头。

Description

一种用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料及采用该钎料进行 钎焊的工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料及采用该钎料进行钎焊的工艺。
背景技术
超高温陶瓷中，以ZrB2为代表的超高温陶瓷材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀性能，可以在2000℃以上的氧化环境中保持长时间而非烧蚀，可以广泛用于超高速飞行器的鼻锥、前缘等关键部位。因此近年来受到国内外广泛重视。
超高温陶瓷材料一般采用热压烧结、放电等离子烧结等传统方式制备，通常只能制备尺寸较小、形状简单的超高温陶瓷材料。但实际应用中却需要结构复杂，尺寸较大的超高温陶瓷结构，因此超高温陶瓷材料的连接是亟待解决的问题。近年来研究中，钎焊连接以其工艺简单、效率高等优点成为实现超高温陶瓷材料连接的有效途径之一。目前，钎焊ZrB2基超高温陶瓷材料的钎料以传统的Ag基、Cu基、Au基甚至Pd基等贵金属钎料为主。然而，上述钎料在使用过程中经常会出现诸如润湿性不好、界面结合不致密、力学性能不佳等问题。
因此，寻找一种性能优良、性价比高的填充材料，制定合理的焊接工艺是实现ZrB2-SiC超高温陶瓷材料连接的关键。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种熔化温度适中、融化均匀，且表面润湿及铺展性能强的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料；
本发明的第二目的是提供采用该钎料进行钎焊的工艺。
技术方案：本发明用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，按重量百分比计包括如下组分：Cu 37.5～40.0％、Ti 23.3～25.2％、Zr 26.5～28.4％、Ni 4.5～6.5％及Co 1.5～3.0％。
本发明在钎料中添加Cu元素有利于提高合金钎料的塑性和强度，促进ZrB2-SiC超高温陶瓷固溶冶金反应，提高钎焊接头的综合性能，优选的，Cu的重量百分比可为38.8～39.4％；添加Ti有利于细化晶粒，提高钎料合金的强度，优选 的，Ti的重量百分比可为24.3～24.6％；添加Zr元素，有利于钎料细化晶粒和提高钎料的高温性能，优选的，Zr的重量百分比可为27.8～28.1％；添加Ni和Co，能够有效提高该钎料的抗氧化性和耐蚀性，优选的，Ni的重量百分比可为6～6.2％，Co的重量百分比可为2.5～2.6％。
本发明采用用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料进行钎焊的工艺，包括如下步骤：首先按重量百分比将各原料混合后制成钎焊材料装配于经过表面处理的ZrB2-SiC超高温陶瓷上，制成焊接试样，其次，将该焊接试样置于真空钎焊设备中，先以8～12℃/min的速率升温至290～310℃，保温15～20min，再以8～12℃/min的速率升温至910～1000℃，保温时间25～35min，最后以4～6℃/min的速率冷却至290～310K，随炉冷却至室温，即可。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：首先，该用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀，能够有效促进钎焊连接过程中合金元素的扩散和界面反应，提高钎料在ZrB2-SiC超高温陶瓷表面的润湿和铺展能力，细化晶粒和减小残余应力，提高焊接接头的力学性能；其次，该钎料与ZrB2-SiC超高温陶瓷基体母材能够充分形成固溶冶金反应，组织细粒，且其具备优异常温和高温性能，制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷的连接接头性能稳定可靠，从而进一步扩大了ZrB2-SiC超高温陶瓷材料连接的应用领域；同时，本发明的钎焊工艺稳定可靠，利用真空钎焊连接，构件在加热过程中处于真空状态，无须添加钎剂以及保护措施，整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，其表面润湿铺展较好，能够充分填充钎缝，提高接头的整体强度，且拥有良好的塑性变形能力，能够获得更为稳定可靠的连接接头，该工艺简单，实施方便快捷，可重复再现。
附图说明
图1为本发明的钎焊结构件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样尺寸均为3mm×3mm×17mm，待钎焊面为3mm×17mm截面。
钎料的组分及含量：Cu 39.4％、Ti 24.3％、Zr 27.8％、Ni 6.0％及Co 2.5％，钎料厚度为80μm。
该钎料的制备方法包括如下步骤：
1)按重量百分比称取纯度高于99.99％的Cu颗粒39.4g、Ti颗粒24.3g、Zr颗粒27.8g、Ni颗粒6.0g、Co颗粒2.5g五种原料并进行混合，其中Cu颗粒、Ti颗粒、Zr颗粒、Ni颗粒、Co颗粒粒径大小为2～5mm，混合后倒入装有丙酮的容器中，在室温下将容器放入超声清洗机中清洗12min；
2)清洗后倒出丙酮废液，然后将混合物放入40℃的烘箱中进行烘干，得到干燥均匀的混合物；
3)将清洗干燥后原料放入电弧炉中进行熔炼，将多次反复熔炼后的合金锭切成小块状，放入高真空单辊甩带机石英管中；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度到8×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至220mbar；
6)开启电机，使铜辊转速在30m/s的范围内，再开启高频电源，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70s；
7)将Ar气气压控制在50KPa，用高压氩气将石英玻璃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，从而得到钎料箔片带，厚度为80μm。
本发明将钎料制备成箔片状，有利于促进钎焊连接过程中元素扩散以及界面反应，促进钎料与ZrB2-SiC超高温陶瓷间固溶冶金反应，有效缓解钎焊接头中的残余应力，提高接头的力学性能。
采用本发明的钎料进行钎焊的工艺，包括如下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样表面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，并使用抛光布进行抛光处理，然后将ZrB2-SiC超高温陶瓷与钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：使用502瞬间粘结剂将清洗后的钎料箔片装配于两块ZrB2-SiC超高温陶瓷片的待焊表面之间，将准备好的连接件放入特制夹具中，确保连接的精度，并在夹具上放置额定质量的压头，产生0.015MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度到8×10-4Pa的钎焊设备中，先以15℃/min的速率升温至750℃，保温20min，再继续以10℃/min的速率升温至910℃，保温时间30min，然后以5℃/min的速率冷却至300℃，最后随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
试验结果：钎焊制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，接头剪切强度为177MPa。
实施例2
本发明采用的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样尺寸均为3mm×3mm×17mm，待钎焊面为3mm×17mm截面。
钎料的组分及含量：Cu 38.8％，Ti 24.6％，Zr 27.8％，Ni 6.2％、Co 2.6％。
该钎料的制备方法与实施例1中的制备方法相同，制备得到的钎料箔片带的厚度为80μm。
采用本发明的钎料进行钎焊的工艺，包括如下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样表面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，并使用抛光布进行抛光处理，然后将ZrB2-SiC超高温陶瓷与钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：使用502瞬间粘结剂将清洗后的钎料箔片装配于两块ZrB2-SiC超高温陶瓷片的待焊表面之间，将准备好的连接件放入特制夹具中，确保连接的精度，并在夹具上放置额定质量的压头，产生0.015MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.0×10-3Pa的钎焊设备中，首先以20℃/min的速率升温至800℃，保温20min，再继续以10℃/min的速率升温至950℃，保温时间25min，然后以5℃/min的速率冷却至300℃，最后随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
试验结果：钎焊制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，接头剪切强度为153MPa。
实施例3
本发明采用的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样尺寸均为3mm×3mm×17mm，待钎焊面为3mm×17mm截面。
钎料的组分及含量：Cu 38.9％，Ti 24.3％，Zr 28.1％，Ni 6.2％，Co 2.5％。该钎料的制备方法与实施例1中的制备方法相同，制备得到的钎料箔片带的厚度为80μm。
采用本发明的钎料进行钎焊的工艺，包括如下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样表面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，并使用抛光布进行抛光处理，然后将ZrB2-SiC超高温陶瓷与钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：使用502瞬间粘结剂将清洗后的钎料箔片装配于两块ZrB2-SiC超高温陶瓷片的待焊表面之间，将准备好的连接件放入特制夹具中，确保连接的精度，并在夹具上放置额定质量的压头，产生0.015MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度为8×10-4Pa的钎焊设备中，首先以20℃/min的速率升温至800℃，保温20min，再以8℃/min的速率升温至1000℃，保温时间35min，然后以4℃/min的速率冷却至290℃，最后随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
试验结果：钎焊获得的ZrB2-SiC超高温陶瓷接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，接头剪切强度为127MPa。
实施例4
设计9组试验，基本步骤与实施例3相同，不同之处在于原料的含量及钎焊工艺中钎焊的链接阶段，其中，9组试验钎焊连接阶段具体为：将装配好的夹具整体置于真空度为8×10-4Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至750℃，保温15min，再以12℃/min的速率升温至1000℃，保温时间25min，然后以6℃/min的速率冷却至310℃，最后随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
9组试验的原料含量分别为：
1、Cu 37.5％，Ti 25.2％，Zr 28.4％，Ni 6.5％，Co 2.4％；
2、Cu 40％，Ti 23.3％，Zr 28.4％，Ni 5.3％，Co 3％；
3、Cu 40％，Ti 24％，Zr 26.5％，Ni 6.5％，Co 3％；
4、Cu 40％，Ti 25.2％，Zr 27.8％，Ni 4.5％，Co 2.5％；
5、Cu 40％，Ti 25.2％，Zr 27％，Ni 6.3％，Co 1.5％；
6、Cu 38.8％，Ti 24.6％，Zr 27.8％，Ni 6.2％，Co 2.6％；
7、Cu 39.4％，Ti 24.3％，Zr 27.8％，Ni 6％，Co 2.5％；
8、Cu 30％，Ti 18％，Zr 44％，Ni 7％，Co 1％；
9、Cu 42％，Ti 20％，Zr 30％，Ni 3％，Co 5％；
将9组制备的钎焊接头进行性能检测，获得的试验结果如表1所示。
表1不同的钎料含量制备的钎焊接头性能对照表
由表1可知，采用本发明组分范围内的钎料，其熔化温度适中，钎料熔化均匀，能够有效促进钎焊连接过程中合金元素的扩散和界面反应，提高钎料在ZrB2-SiC超高温陶瓷表面的润湿和铺展能力，细化晶粒和减小残余应力，提高焊接接头的力学性能。

Claims (7)

1.一种用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，其特征在于：该钎料按重量百分比计包括如下组分：Cu 37.5～40.0％、Ti 23.3～25.2％、Zr 26.5～28.4％、Ni 4.5～6.5％及Co1.5～3.0％。
2.根据权利要求1所述的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，其特征在于：所述Cu的重量百分比为38.8～39.4％。
3.根据权利要求1所述的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，其特征在于：所述Ti的重量百分比为24.3～24.6％。
4.根据权利要求1所述的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，其特征在于：所述Zr的重量百分比为27.8～28.1％。
5.根据权利要求1所述的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，其特征在于：所述Ni的重量百分比为6～6.2％。
6.根据权利要求1所述的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料，其特征在于：所述Co的重量百分比为2.5～2.6％。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的用于ZrB2-SiC超高温陶瓷钎焊的钎料进行钎焊的工艺，其特征在于包括如下步骤：首先按重量百分比将各原料混合后制成钎焊材料装配于经过表面处理的ZrB2-SiC超高温陶瓷上，制成焊接试样，其次，将该焊接试样置于真空钎焊设备中，先以15～20℃/min的速率升温至750～800℃，保温15～20min，再以8～12℃/min的速率升温至910～1000℃，保温25～35min，最后以4～6℃/min的速率冷却至290～310℃，随炉冷却至室温，即可。
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