CN109500514A - 用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺 - Google Patents

用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺，属于钛合金高温钎焊材料领域。它解决了现代工艺对钎焊强度的需求。本钎焊材料的制备方法包括以下步骤：将Cu、Co、Dy和Ti熔炼成合金锭，在铜轮单辊甩带装置上制取钎焊材料，利用DSC 4000对钎焊材料进行DSC测试，制定钎焊材料的应用工艺温度随时间的控制；此外，钎焊材料的应用工艺包括以下步骤：取TC4、ZrO2，打磨至表面光滑后，超声波清洗，将钎焊材料摆放在ZrO2的打磨面上，在钎焊材料的上面摆放TC4，装配于钎焊夹具，放入真空钎焊炉进行加热钎焊。本钎焊材料性能优良，能够保证ZrO2与TC4的连接具有高强度，高耐热性。

Description

用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺
技术领域
本发明属于钛合金高温钎焊材料领域，涉及一种钎焊材料，特别是一种用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺。
背景技术
在传统的金属与陶瓷钎焊过程中，因为陶瓷与金属的热膨胀系数差别过大，往往不能将两者很好的连接在一起，就需要寻找合适的钎焊材料来进行钎焊。北京工业大学的裴艳虎等人选用Ag70-Cu-Ti4.5进行了ZrO2与TC4合金的焊接，钎焊温度为875℃，最终结果显示钎焊接头强度最高可达191.9MPa，但钎焊温度的较小变化会引起接头强度的急剧下降；哈尔滨工业大学的顾伟等人分析了Ag-Cu-Ti钎料真空钎焊陶瓷与不锈钢形成机理，结果由于陶瓷材料疏松多孔的特性，在接头残余应力的作用下，发生断裂，甚至采用铜箔亦没有取得一定效果，接头强度很低，不能满足使用要求；哈尔滨工业大学的王滨等人采用还原氧化方法在铁素体不锈钢表面制备(Mn，Co)3O4尖晶石保护层，并实现了其与YSZ陶瓷的高质量空气钎焊连接，在最佳工艺下所获的的接头强度达到了76MPa，但并不是最理想结果。
经检索相关文献，并未寻找到理想的钎焊材料能够满足于现在对陶瓷与金属的焊接强度的需求，但在航天航空、化工中的材料连接，尤其针对两种母材材料不同时，钎焊连接显得尤其重要。因此，本申请提出的钎焊材料及钎焊工艺，能够满足现代工艺对钎焊强度的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺，本申请制备的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料性能优良，能够保证ZrO2与TC4的连接具有高强度，高耐热性的特点。
具有的特点。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料，其特征在于，包含的原料及各原料的重量百分数为如下：
15wt％的Cu、15wt％的Ni、0wt％～5wt％的Co、0wt％～0.6wt％的Dy，余量为Ti。
所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)、利用真空电弧炉，将Cu、Co、Dy和Ti熔炼成合金锭；
(2)、在铜轮单辊甩带装置上制取钎焊材料，铜轮单辊甩带装置的运转速度范围为20m/s～40m/s；
(3)、利用DSC 4000对钎焊材料进行DSC测试，制定钎焊材料的应用工艺温度随时间的控制。
作为一种优选实施方式，所述的钎焊材料厚度为20μm～40μm，宽度为3mm～5mm。
作为一种优选实施方式，所述的钎焊材料厚度通过扫描电镜测量。
作为一种优选实施方式，步骤(1)中，各原料在真空电弧炉进行3～4次的重熔，使合金锭内的元素分布均匀。
作为一种优选实施方式，所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的应用工艺，包括以下步骤：
1)、取TC4，用砂纸分别将连接面打磨至表面光滑后，用酒精进行超声波清洗；
2)、取ZrO2，用砂纸分别将连接面打磨至表面光滑后，用酒精进行超声波清洗；
3)、将制备的钎焊材料，用酒精进行超声清洗，去除表面杂质；
4)、将钎焊材料摆放在ZrO2的打磨面上，在钎焊材料的上面摆放TC4，装配于钎焊夹具，放入真空钎焊炉进行加热钎焊；
5)、测量钎焊接头的连接强度；
6)、通过扫描电镜来分析ZrO2与TC4断口；
7)、通过扫描电镜来分析钎焊接头的焊缝。
作为一种优选实施方式，步骤4)中，钎焊夹具采用石墨夹具。
作为一种优选实施方式，步骤4)中，真空度达到加热钎焊3.0×10-3Pa时进行加热钎焊，钎焊最高温度为1000℃～1020℃，保温10min～20min。
与现有技术相比，本用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法及应用工艺具有以下优点：
1、本发明以Ti-15Cu-15Ni-xCo为基体，向其中添加稀土元素Dy，使合金钎焊材料晶粒更加细化、钎焊材料组织分布更加均匀。
2、本发明的钎焊材料厚度为20μm～40μm，可使钎焊间隙减小，并且其物理特性较其他状态的钎焊材料发生了改变，室温剪切强度优良。
3、本发明钎焊材料在ZrO2与TC4的焊接中，钎焊工艺简单，因此成本较低，且连接性能良好，钎焊后接头剪切强度高。
4、本发明的钎焊材料非晶态形式异于传统钎焊材料，在钎焊时钎焊材料中的元素扩散性能优良，对陶瓷一侧的连接性能较好，元素分布较为均匀，有助于接头处性能的提升。
附图说明
图1是本发明中钎焊材料的XRD图谱；
图2是本发明中钎焊材料的DSC图；
图3是本发明中钎焊材料钎焊过程中钎焊炉温度随时间控制图；
图4是本发明中钎焊材料在ZrO2与TC4钎焊2000倍的断口形貌图；
图5是本发明中钎焊材料的在ZrO2与TC4钎焊500倍的焊缝形貌图；
图6是本发明中钎焊材料的在ZrO2与TC4钎焊1000倍的焊缝形貌图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料，包含的原料及各原料的重量百分数为如下：15wt％的Cu、15wt％的Ni、0wt％～5wt％的Co、0wt％～0.6wt％的Dy，余量为Ti。其中，钎焊材料厚度为20μm～40μm，宽度为3mm～5mm。
用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)、利用真空电弧炉，将Cu、Co、Dy和Ti熔炼成合金锭，且各原料在真空电弧炉进行4次的重熔，使合金锭内的元素分布均匀；
(2)、在铜轮单辊甩带装置上制取钎焊材料，铜轮单辊甩带装置的运转速度范围为20m/s～40m/s；
(5)、利用DSC 4000对钎焊材料进行DSC测试，如图2所示，在DSC曲线中出现一个吸收峰，该钎焊材料的固相线温度为968.4℃，其液相线温度为998.5℃，熔化区间为30.1℃，因此，在焊接工艺的制定上首先，以10℃/min的升温速率从室温加热到1000℃，同时保温15min，再以10℃/min的降温速率降至300℃，最后随炉冷却。
此外，利用D8 ADVANCE型号的XRD衍射仪分析钎焊材料的XRD图谱，如图1所示，在Dy含量为0wt％、0.2wt％、0.4wt％、0.6wt％的钎焊材料中的XRD图谱中都出现了馒头峰，这证明了这些钎焊材料存在非晶态形式，从图1中可以看出在馒头峰之后出现了若干尖锐的峰，随着Dy含量的增加，这些尖锐峰的峰值逐渐减小，从中可以得出，随着Dy含量的增加，钛基钎焊材料的非晶形成能力越好。利用EDAX TEAM扫描电镜测量钎焊材料的厚度与宽度，由于钎焊材料厚度较小，因此将钎焊材料分别以平铺与直立镶嵌在牙脱粉中进行测量。
用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的应用工艺，包括以下步骤：
1)、将纯度为99.99％的TC4板材通过线切割加工成4mm×4mm×4mm的正方体，用砂纸分别将连接面打磨至表面光滑后，用酒精进行超声波清洗；
2)、取直接从厂家购买的4mm×4mm×4mm的ZrO2，用砂纸分别将连接面打磨至表面光滑后，用酒精进行超声波清洗；、
3)、将制备的钎焊材料，用酒精进行超声清洗，去除表面杂质，剪刀修剪成4mm×4mm的尺寸；
4)、将钎焊材料用镊子摆放在ZrO2的打磨面上，在钎焊材料的上面摆放TC4，从下至上依次是ZrO2、钎焊材料、TC4，装配于石墨钎焊夹具，放入真空钎焊炉，钎焊炉真空度达到加热钎焊3.0×10-3Pa时进行加热钎焊，钎焊最高温度为1000℃，保温15min，且钎焊炉温度随着时间控制如图3所示；
5)、通过四柱型热压成型裁断机进行剪切实验来测量焊接接头的连接强度，加载速率为1mm/min，重复多次试验得出焊接接头的连接强度高达180MPa；
6)、通过EDAX TEAM电镜扫描来分析ZrO2与TC4断口，确定样品的断裂机理，如图4所示，图中显示其断口形貌如同台阶状，这种断裂形式属于脆性断裂；
7)、通过EDAX TEAM电镜扫描来分析焊接接头的焊缝，如图5和图6所示，没有明显的裂纹。
综合上述，本发明以Ti-15Cu-15Ni-xCo为基体，向其中添加了稀土元素Dy，使合金钎焊材料晶粒更加细化、钎焊材料组织分布更加均匀；降低了ZrO2与TC4之间连接的困难程度，且钎焊接头的强度更高，没有明显裂纹；耐高温性能更加优异，适合环境更加严酷的场合；钎焊材料的焊接工艺性能优良，对焊接的ZrO2与TC4的溶蚀小。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料，其特征在于，包含的原料及各原料的重量百分数为如下：
15wt％的Cu、15wt％的Ni、0wt％～5wt％的Co、0wt％～0.6wt％的Dy，余量为Ti。
所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)、利用真空电弧炉，将Cu、Co、Dy和Ti熔炼成合金锭；
(2)、在铜轮单辊甩带装置上制取钎焊材料，铜轮单辊甩带装置的运转速度范围为20m/s～40m/s；
(3)、利用DSC4000对钎焊材料进行DSC测试，制定钎焊材料的应用工艺温度随时间的控制。
2.根据权利要求1所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料，其特征在于，所述的钎焊材料厚度为20μm～40μm，宽度为3mm～5mm。
3.根据权利要求2所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料，其特征在于，所述的厚度与宽度通过扫描电镜测量。
4.根据权利要求1所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，各原料在真空电弧炉进行3～4次的重熔，使合金锭内的元素分布均匀。
5.根据权利要求1所述的所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的应用工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)、取TC4，用砂纸分别将连接面打磨至表面光滑后，用酒精进行超声波清洗；
2)、取ZrO2，用砂纸分别将连接面打磨至表面光滑后，用酒精进行超声波清洗；
3)、将制备的钎焊材料，用酒精进行超声清洗，去除表面杂质；
4)、将钎焊材料摆放在ZrO2的打磨面上，在钎焊材料的上面摆放TC4，装配于钎焊夹具，放入真空钎焊炉进行加热钎焊；
5)、测量钎焊接头的连接强度；
6)、通过扫描电镜来分析ZrO2与TC4断口；
7)、通过扫描电镜来分析钎焊接头的焊缝。
6.根据权利要求5所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的应用工艺，其特征在于，步骤4)中，钎焊夹具采用石墨钎焊夹具。
7.根据权利要求5或6所述的用于ZrO2与TC4钎焊的钎焊材料的应用工艺，其特征在于，步骤4)中，真空度达到加热钎焊3.0×10-3Pa时进行加热钎焊，钎焊最高温度为1000℃～1020℃，保温10min～20min。
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