用于钎焊50Mo-50Re合金的高温Fe基钎料及制备方法和钎焊
工艺
技术领域
本发明涉及用于钎焊50Mo-50Re合金的高温Fe基钎料及制备方法和钎焊工艺,属于钎焊领域。
背景技术
自从1955年发现Mo50Re合金比钼具有更好的塑性和强度以来,很多研究者对钼铼合金的组织性能、加工工艺进行了详细而深入的研究。在早期的研究中,俄罗斯萨维茨基做出了重大的贡献,在其专著中提供了自己的研究成果。Davidson[2]等系统地研究了钼铼合金的弹性常数。近几年来,Garin等用中温烧结的粉末冶金方法制备出钼铼合金,随后Mannheim等对其硬化现象进行了研究。Todd等研究了各种钼铼合金的机械性能和组织状况。Bernd等将工作重点放在钼铼合金的高温疲劳性能。因为铼价格的昂贵,邢英华等系统地研究了添加少量铼对钼组织性能的影响。
由于钼铼合金具有优异的抗辐射性能、较高的抗拉强度和良好的延展性、高温性能及导电性,被广泛应用于航空航天、核能、电子、电子、军工等高科技领域,如作为结构包套材料用于空间核反应堆的热离子交换器,制成箔材和极细丝材作为弹性元件用于加热器、热电偶等高温设备中(效果好且使用寿命长)。钼铼合金耐磨性好,抗电弧烧蚀性强,故可广泛应用于电子元器件中。Mo50Re合金常用作高温结构材料,接头强度是Mo50Re合金接头的重要技术参数,一般接头强度至少高于100MPa,重要结构部件需要更高强度级别,才能保障接头的正常使用性能。
随着对钼及钼合金的进一步研究和在各个领域中更加广泛的应用,开展钼合金焊接技术的研究工作显得尤为重要和迫切,提高钼铼合金的焊接性、获得优质焊接接头是进一步拓宽钼铼合金应用范围的重要条件。
针对钼铼合金焊接过程中,易受空气及焊接过程中热循环的影响而产生的脆化,气孔及裂纹等问题,采用真空钎焊可有效避免这些缺陷,同时获得性能优异的钎焊接头。相比目前钎焊钼铼合金的钎料,Fe基钎料能在较低的钎焊温度下获得较高强度的钎焊接头。
申请号201210410262.6的申请(用于TiAl与镍基高温合金钎焊的铁钴镍铬基钎料)介绍了一种用于TiAl与镍基高温合金钎焊的铁钴镍铬基钎料,合金元素含量比本申请所述钎料明显偏高,该种钎料不含Nb元素,在钎焊50Mo-50Re合金过程中,易出现元素扩散不均匀,部分硬质颗粒的聚集现象,焊接后50Mo-50Re合金接头强度只能达到70~80MPa左右,接头性能较低。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种用于钎焊50Mo-50Re合金的高温Fe基钎料及制备方法和钎焊工艺,钎焊温度相对母材熔点相对较低,避免了钼铼合金母材的过度溶解,利于箔材焊接,避免发生溶蚀。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明的一种用于钎焊50Mo-50Re合金的高温Fe基钎料,其特征在于:所选钎料以重量百分比计的元素成分包括:Co4%~9%,Ni3%~12%,Si3%~8%,B0%~3%,Nb3%~5%,余量为Fe。
作为优选,所述钎焊用料由以下重量百分比的组分组成:Co7%,Ni8%,Si5%,B2%,Nb4%,余量为Fe。
一种上述的用于钎焊50Mo-50Re合金的高温Fe基钎料的制备方法,包括以下步骤:
1)按质量百分比称取高纯度的Fe颗粒、Si颗粒、B颗粒、Co颗、Ni颗粒和Nb颗粒制得混合物,放入加有丙酮的容器中,在18-25℃的温度下进行超声清洗15~20min;
2)将步骤1)超声清洗后的Fe颗粒、Si颗粒、B颗粒、Co颗、Ni颗粒和Nb颗粒混合物在30~50℃的温度下烘干,得到干燥的混合物;
3)将混合物采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金,将制备出的母合金碾碎后,装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内;
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100~150μm之间;
5)关闭炉门,采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa以下,然后采用分子泵抽高真空,高真空度不低于9×10-5Pa,然后腔体充满高纯Ar气至200~230mbar;
6)开启电机,使铜辊转速us在28~33m/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60s~80s;
7)将Ar气气压调制P=30~60KPa,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,液态金属受到急冷制成钎料。
作为优选,所述步骤3)中石英管喷嘴呈长方形,其长度为8~10mm,宽度为0.8~1.2mm。
作为优选,所述步骤6)中铜辊直径为250mm,铜辊宽度为50mm。
作为优选,所述步骤7)中钎料为箔带状,厚度为20~50μm。
一种上述的用于钎焊50Mo-50Re合金的高温Fe基钎料的钎焊工艺,包括以下步骤:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样端面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金母材待焊表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.03~0.05MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以5~9℃/min的速率升温至300~350℃,保温25~35min,再以4~6℃/min的速率升温至700~850℃,保温时间15~20min,再以6~10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1060~1160℃,保温时间10~45min,以5℃/min冷却至350℃~400℃,随炉冷却至室温开炉取出被焊连接件即可。
在本发明中,50Mo-50Re合金熔点较高,与其他元素冶金反应较少,或在较高温度才能反应,且对O元素极敏感,可选钎料较少,同时对钎料制备工艺要求较高;本发明制备钎料的工艺完整且所得钎料熔化温度较高,钎料熔化均匀;在钎料中加入Si,B,Nb等元素在钎焊过程中可扩散进母材,降低钼铼合金的熔点,使母材元素进入焊缝,发生冶金反应,形成固溶体,同时扩散到焊缝中的Mo和Re元素,起到骨架的作用,限制钎料的过分流动。Fe基钎料钎缝中,Co元素可形成Fe(Co)固溶体,增强钎缝高温性能;母材侧存在明显扩散层与固溶体层,提高钎缝连接强度;同时钎料箔片也有利于促进钎焊连接过程中元素扩散,选用Fe基钎料可减少钎焊过程中钼铼合金母材的溶解,利于箔材焊接,避免发生溶蚀;钎焊温度控制应在钎料液相线附近,钎料能与母材润湿良好,并充分发生冶金化学反应;利用真空钎焊工艺稳定可靠,其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。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明钎料的钎焊温度在1060℃~1160℃,钎料熔化温度较高,保证了焊件的高温性能,同时钎料熔化均匀;使用钎料箔片有利于促进钎焊连接过程中合金元素的扩散,钎料箔片有利于促进钎焊连接过程中元素扩散,Fe元素与Mo元素可生成固溶体,Co和Nb元素可促进Mo和Re元素扩散进钎缝,形成较宽扩散层,提高钎缝性能;同时,钎焊温度相对母材熔点相对较低,避免了钼铼合金母材的过度溶解,利于箔材焊接,避免发生溶蚀;
(2)采用本发明的钎料连接钼铼合金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,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,充分填充钎缝,提高了接头的整体强度,以及拥有良好的塑性变形能力,因而能获得更为稳定可靠的连接接头;
(3)本发明钎料连接钼铼合金,钎料与基体母材充分形成固溶冶金反应,组织细粒,使得本发明钎料具有优异常温和高温性能,获得的钼铼合金的连接接头性能稳定可靠,扩大了钼铼合金连接的应用领域;
(4)本发明制得的钎料经济实用,不仅适用于钼铼合金板材,而且可使用在钼铼合金箔材上,使用场合较多,同时保证获得可靠强度钎缝接头。可降低钼铼合金的使用成本,扩大钼铼合金的应用范围。
(5)本发明获得的钎料制备方法和钎焊工艺简单,实施方便快捷,钎料的制备以及钎焊工艺可重复再现,真空钎焊过程无须添加钎剂以及保护措施,便于广泛的推广应用。
具体实施方式
实施例1
钼铼合金(50%Mo,50%Re)搭接接头真空钎焊:钼铼合金试样尺寸为50mm×2.55mm×0.06mm,待钎焊面为5mm×2mm搭接面。
钎料的成分及质量百分比配比为:Co8%;Ni9%;Si8%;B2.5%;Nb4%,余量为Fe。
上述一种钎焊钼铼合金的钎料的制备方法,包括以下步骤:
1)按质量百分比称取高纯度的68.5gFe颗粒、8gSi颗粒、2.5gB颗粒、8gCo颗、9gNi颗粒和4gNb颗粒制得混合物,放入加有丙酮的容器中,在20℃左右的温度下进行超声清洗20min;
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30~50℃的温度下烘干,得到干燥的混合物;
3)将混合物Fe、Si和B采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金,将制备出的母合金碾碎后,装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内;
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100μm;
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,高真空度不低于9×10-5Pa,然后腔体充满高纯Ar气至230mbar;
6)开启电机,使铜辊转速us在28m/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60~80s;
7)将Ar气气压调制P=30~60KPa,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50μm。
钎焊工艺步骤为:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样搭接面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金搭接表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.02~0.03MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以9℃/min的速率升温至350℃,保温35min,再以6℃/min的速率升温至750℃,保温时间20min,再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1150℃,保温时间20min,最后以5℃/min的速率冷却至500℃,随炉冷却至室温,开炉取出被焊连接件即可。
结果:钎焊获得的钼铼合金接头形成良好,金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合,合金成分分布较均匀,室温剪切强度为239MPa。
实施例2
钼铼合金(50%Mo,50%Re)搭接接头真空钎焊:钼铼合金试样尺寸为50mm×5mm×0.06mm,待钎焊面为5mm×1mm搭接面。
钎料的成分及质量百分比配比为:Co9%;Ni9%;Si5.5%;B2.5%;Nb3%,余量为Fe。按照实施例1中的制备方法,制备的钎料厚度为40μm。
钎焊工艺步骤为:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样搭接面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金搭接表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度并控制间隙,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.03~0.05MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以8℃/min的速率升温至300℃,保温30min,再以5℃/min的速率升温至750℃,保温时间20min,再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1100℃,保温时间20min,最后以7℃/min的速率冷却至500℃,随炉冷却至室温,开炉取出被焊连接件即可。
结果:钎焊获得的钼铼合金接头形成良好,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,室温剪切强度为211MPa。
实施例3
钼铼合金(50%Mo,50%Re)搭接接头真空钎焊:钼铼合金试样尺寸为30mm×5mm×0.2mm,待钎焊面为5mm×2mm搭接面。
钎料的成分及质量百分比配比为:Co8%;Ni9%;Si5.5%;B2.5%;Nb4.5%,余量为Fe。钎料厚度为30μm。
钎焊工艺步骤为:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样搭接面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金搭接表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.03~0.05MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以7℃/min的速率升温至300℃,保温25min,再以4℃/min的速率升温至700℃,保温时间15min,再以8℃/min的速率继续升温至钎焊温度1075℃,保温时间35min,再以5℃/min的速率冷却至500℃,随炉冷却至室温,开炉取出被焊连接件即可。
结果:钎焊获得的钼铼合金接头形成良好,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,室温剪切强度为156MPa。
实施例4
钼铼合金(50%Mo,50%Re)搭接接头真空钎焊:钼铼合金试样尺寸为30mm×5mm×0.2mm,待钎焊面为5mm×2mm搭接面。
钎料的成分及质量百分比配比为:Co4%;Ni3%;Si3%;Nb4%,余量为Fe。钎料厚度为30μm。
上述一种钎焊钼铼合金的钎料的制备方法,包括以下步骤:
1)按质量百分比称取高纯度的86gFe颗粒、3gSi颗粒、4gCo颗粒、3gNi颗粒和4gNb颗粒制得混合物,放入加有丙酮的容器中,在20℃左右的温度下进行超声清洗20min;
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30~50℃的温度下烘干,得到干燥的混合物;
3)将混合物Fe、Si和B采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金,将制备出的母合金碾碎后,装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内;
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100μm;
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,高真空度不低于9×10-5Pa,然后腔体充满高纯Ar气至230mbar;
6)开启电机,使铜辊转速us在28m/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60~80s;
7)将Ar气气压调制P=30~60KPa,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30μm。
钎焊工艺步骤为:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样搭接面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金搭接表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.03~0.05MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以7℃/min的速率升温至300℃,保温25min,再以4℃/min的速率升温至700℃,保温时间15min,再以8℃/min的速率继续升温至钎焊温度1075℃,保温时间35min,再以5℃/min的速率冷却至500℃,随炉冷却至室温,开炉取出被焊连接件即可。
结果:钎焊获得的钼铼合金接头形成良好,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,室温剪切强度为163MPa。
实施例5
钼铼合金(50%Mo,50%Re)搭接接头真空钎焊:钼铼合金试样尺寸为50mm×5mm×0.06mm,待钎焊面为5mm×1mm搭接面。
钎料的成分及质量百分比配比为:Co8%;Ni10%;Si6%;B3%;Nb3%,余量为Fe。按照实施例1中的制备方法,制备的钎料厚度为40μm。
钎焊工艺步骤为:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样搭接面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金搭接表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度并控制间隙,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.03~0.05MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以8℃/min的速率升温至300℃,保温30min,再以5℃/min的速率升温至750℃,保温时间20min,再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1100℃,保温时间20min,最后以7℃/min的速率冷却至500℃,随炉冷却至室温,开炉取出被焊连接件即可。
结果:钎焊获得的钼铼合金接头形成良好,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,室温剪切强度为217MPa。
实施例6
钼铼合金(50%Mo,50%Re)搭接接头真空钎焊:钼铼合金试样尺寸为50mm×2.55mm×0.06mm,待钎焊面为5mm×2mm搭接面。
钎料的成分及质量百分比配比为:Co7%;Ni10%;Si6%;B2%;Nb5%,余量为Fe。按照实施例1中的制备方法,制备的钎料厚度为50μm。
钎焊工艺步骤为:
(1)准备阶段:对待钎焊的钼铼合金试样搭接面进行清理,除去表面的杂质、油污以及氧化膜,利用W7号金相砂纸进行研磨光滑,将钼铼合金及钎料箔片一起置于丙酮中,采用超声波清洗15~20min,并进行烘干处理;
(2)装配阶段:将清洗后的钎料箔片置于钼铼合金搭接表面之间,并紧贴装配于专用钎焊夹具中,确保连接的精度,在夹具上放置额定质量的压头,产生0.02~0.03MPa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1.5×10-3Pa的钎焊设备中,首先以9℃/min的速率升温至350℃,保温35min,再以6℃/min的速率升温至750℃,保温时间20min,再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1150℃,保温时间20min,最后以5℃/min的速率冷却至500℃,随炉冷却至室温,开炉取出被焊连接件即可。
结果:钎焊获得的钼铼合金接头形成良好,金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合,合金成分分布较均匀,室温剪切强度为223MPa。
为了便于与上述实施例对比,再做5组对比实施例:每个对比实施例与实施例1仅仅钎料组分不同,其它焊接工艺均相同。表1列出了各对比实施例中钎料组成质量百分比以及焊接后接头的性能参数。
表1
通过实施例1至6和对比实施例1至5得出:Co元素能与扩散进入钎缝的Mo元素形成固溶体,使钎缝成分更均匀,同时可改善钎料的润湿性;Nb元素能与Si,B元素扩散进入母材,同时促进母材中Mo元素和Re元素向钎缝中扩散,且Nb元素可与Re元素形成(Nb,Re)固溶体,与Mo形成完全固溶体,在界面处与母材形成良好的结合,可提高钎缝的强度和塑性,同时改善试样的高温强度,明显改善钎缝的整体性能;经探究发现,Ni元素能与Mo,Re元素形成成分均匀的固溶体,可降低Nb的用量,降低钎料经济成本,但过多的Ni元素可显著提高钎料的熔点;当钎料不含Si元素时,钎料固相线上升,钎料钎缝中母材含量也随之减少,控制适量的Si元素可有效降低钎料熔点,避免钎缝中生成较多脆化物,促进母材与钎料冶金化学反应,提高钎焊接头连接强度;由对比实施例5可知,当钎缝中Nb和B含量较高时,钎料熔点降低,同时B原子会沿晶间扩散进入母材,形成脆化物,部分母材出现溶蚀,降低接头整体性能;而过量的Nb元素会导致在一些晶界上析出密集的硬质颗粒、大块状及薄片状的相,导致钎缝组织恶化。
本申请所述钎料中的Nb元素在钎焊50Mo-50Re合金过程中能促使部分相均匀弥散分布,细化晶粒,同时适量的Nb元素可使50Mo-50Re合金接头的强度和塑性明显提高,同时改善钎缝的高温强度。本申请所述钎料与申请号201210410262.6所述的用于TiAl与镍基高温合金钎焊的铁钴镍铬基钎料相比,不含有Cr元素,含有Nb元素,合金元素总体含量低,且钎焊温度范围比申请号201210410262.6的钎料钎焊温度低100℃,为适用于钎焊50Mo-50Re合金的低成本钎料,两种钎料有本质区别。
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。