CN106378506B - 一种采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于SiC基复合材料钎焊的钎料及钎焊工艺，该钎料各元素的质量百分比分别为：Co39％～43％，Ni8.6％～12.1％，Nb23.6％～27％，V18.5％～22％。本发明的钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀；箔片状非晶钎料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SiC基复合材料间冶金固溶反应，有效缓解钎焊接头中的残余应力，提高接头的力学性能；本发明采用的钎焊工艺，通过真空钎焊连接，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；采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，因而能获得性能优异的钎焊接头。

Description

一种采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺
技术领域
本发明涉及一种用于SiC基复合材料钎焊的钎料及钎焊工艺。
背景技术
SiC具有优良的高温抗氧化性和机械性能，而纤维增强的SiC及复合材料则由于纤维植入改善了材料的断裂韧性，是SiC及复合材料具有低密度、低热膨胀系数、高温强度高和抗热震性能好等一系列优异性能。因此，纤维增强的SiC基复合材料作为新型轻质结构材料在高温航空领域具有广泛的应用前景。尽管与纯SiC相比，复合材料的韧性有所改善，但目前利用传统陶瓷成型和机加工方式制备具有复杂形状的构件仍然比较困难。连接技术是可以解决由简单形状部件到复杂形状和功能性构件的方式，实际应用中也不可避免的需要SiC自身连接或与异种金属之间的连接。
钎焊由于其简单、低成本以及可量产的特点，被认为是最适合SiC复合材料的连接方法。目前报道较多的钎料体系主要是Cu-Ti，Ag-Cu-Ti等，但该类钎料钎焊的接头使用温度不能超过500℃。因此，为了充分利用SiC基复合材料的高温性能，有必要研究具有稳定耐高温性的高温钎料。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种用于SiC基复合材料钎焊的钎料及钎焊工艺，该钎料熔化温度适中、融化均匀，且表面润湿及铺展性能强；该钎焊工艺简单，实施方便快捷，可重复再现。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的用于SiC基复合材料钎焊的钎料，该钎料各元素的质量百分比分别为：Co39％～43％，Ni8.6％～12.1％，Nb23.6％～27％，V18.5％～22％。
作为优选，所述Co的质量百分比为39.5～41.5％。
作为优选，所述Ni的质量百分比为9.7～12％。
作为优选，所述Nb的质量百分比为25.5～27％。
作为优选，所述V的质量百分比为19.5～21.5％。
一种上述的用于SiC基复合材料进行钎焊的工艺，包括如下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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SiC基复合材料的待焊表面之间，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0.020MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：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500～550℃，保温15～20min，再以8～12℃/min的速率升温至1280～1320℃，保温8～12min，最后以4～6℃/min的速率冷却至500-550℃，最后随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
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SiC基复合材料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SiC基复合材料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SiC基复合材料基体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SiC基复合材料的连接接头性能稳定可靠；另外本发明所制钎料具有稳定耐高温性，大大扩大了SiC基复合材料的连接应用领域；
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。
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
实施例1
本发明的SiC基复合材料试样尺寸为3mm×4mm×20mm，待钎焊面为3mm×4mm截面。
钎料的组分及含量：Co40.5％、Ni 11.5％、Nb26.7％、V21.3％，钎料厚度为100μm。
该钎料的制备方法包括如下步骤：
1)按比例称取高纯度Co，Ni，Nb，V粉末(80-100目)，机械搅拌至均匀化；
2)称取80g混合粉末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；
3)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150μm；
4)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3×10-3Pa，然后腔体充满高纯Ar气至250mbar；
5)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90s；
6)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 100μm。
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SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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2装配于两块SiC基复合材料1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0.020MPa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3.0×10-3Pa的钎焊设备中，先以10℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再继续以10℃/min的速率升温至 1300℃，保温时间10min，然后以5℃/min的速率冷却至500℃，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SiC基复合材料接头形成良好，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，接头抗拉强度为31.5MPa。
实施例2
本发明采用的SiC基复合材料试样尺寸为3mm×4mm×20mm，待钎焊面为 3mm×4mm截面。
钎料的组分及含量：Co41.2％、Ni 10.8％、Nb26.5％、V21.5％。
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SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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0.020MPa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3.0×10-3Pa的钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至550℃，保温15min，再继续以8℃/min的速率升温至1320℃，保温时间12min，然后以6℃/min的速率冷却至500℃，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SiC基复合材料接头形成良好，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，接头抗拉强度为35.2MPa。
实施例3
本发明采用的SiC基复合材料试样尺寸为3mm×4mm×20mm，待钎焊面为 3mm×4mm截面。
钎料的组分及含量：Co39％、Ni 12.1％、Nb27％、V21.9％。
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SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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0.020MPa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3.0×10-3Pa的钎焊设备中，首先以12℃/min的速率升温至530℃，保温18min，再继续以8℃/min的速率升温至1300℃，保温时间12min，然后以4℃/min的速率冷却至550℃，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SiC基复合材料接头形成良好，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，接头抗拉强度为33.9MPa。
实施例4
本发明采用的SiC基复合材料试样尺寸为3mm×4mm×20mm，待钎焊面为 3mm×4mm截面。
钎料的组分及含量：Co43％、Ni8.6％、Nb26.4％、V22％。
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SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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0.020MPa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3.0×10-3Pa的钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再继续以10℃/min的速率升温至1280℃，保温时间10min，然后以5℃/min的速率冷却至500℃，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SiC基复合材料接头形成良好，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，接头抗拉强度为34.1MPa。
实施例5
本发明采用的SiC基复合材料试样尺寸为3mm×4mm×20mm，待钎焊面为 3mm×4mm截面。
钎料的组分及含量：Co42.3％、Ni 12.1％、Nb23.6％、V22％。
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SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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0.020MPa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3.0×10-3Pa的钎焊设备中，首先以12℃/min的速率升温至500℃，保温17min，再继续以12℃/min的速率升温至1280℃，保温时间12min，然后以5℃/min的速率冷却至550℃，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SiC基复合材料接头形成良好，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，接头抗拉强度为33.9MPa。
实施例6
本发明采用的SiC基复合材料试样尺寸为3mm×4mm×20mm，待钎焊面为 3mm×4mm截面。
钎料的组分及含量：Co43％、Ni12％、Nb26.5％、V18.5％。
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SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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0.020MPa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3.0×10-3Pa的钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再继续以10℃/min的速率升温至1280℃，保温时间10min，然后以5℃/min的速率冷却至500℃，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SiC基复合材料接头形成良好，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，接头抗拉强度为34.9MPa。
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 (5)

1.一种采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺，其特征在于，该钎焊材料各元素的质量百分比分别为：Co39％～43％，Ni8.6％～12.1％，Nb23.6％～27％，V18.5％～22％，该钎焊材料为非晶钎料箔片，该钎焊工艺包括如下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的SiC基复合材料试样表面进行清理，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SiC基复合材料与非晶钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗10min，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非晶钎料箔片装配于两块SiC基复合材料的待焊表面之间，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0.020MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：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500～550℃，保温15～20min，再以8～12℃/min的速率升温至1280～1320℃，保温8～12min，最后以4～6℃/min的速率冷却至500-550℃，最后随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
2.根据权利要求1所述的采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺，其特征在于：所述Co的质量百分比为39.5～41.5％。
3.根据权利要求1所述的采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺，其特征在于：所述Ni的质量百分比为9.7～12％。
4.根据权利要求1所述的采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺，其特征在于：所述Nb的质量百分比为25.5～27％。
5.根据权利要求1所述的采用钎焊材料对SiC基复合材料进行钎焊的工艺，其特征在于：所述V的质量百分比为19.5～21.5％。
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