CN109773370A

CN109773370A - 纳米颗粒掺杂钛基钎料及其制备方法

Info

Publication number: CN109773370A
Application number: CN201711104554.6A
Authority: CN
Inventors: 计富宝; 田文举
Original assignee: Henan World Intellectual Property Operation Co Ltd
Current assignee: Henan World Intellectual Property Operation Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明提供了一种纳米颗粒掺杂钛基钎料，其步骤包括按照所述质量百分数称取原料并将原料进行熔化得到熔融体，然后采用气雾水冷雾化制粉工艺对所述熔融体进行雾化制粉得到钛基钎料微粉，将所述钛基钎料微粉与Si₃N₄颗粒混合并进行真空球磨处理，得到纳米颗粒掺杂钛基钎料。本发明还提供一种由所述的制备方法制得的纳米颗粒掺杂钛基钎料，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料质量百分数大于等于52.5%。所述纳米颗粒掺杂钛基钎料能增加钎料的填充性能，进而改善了钎焊层与TiAl合金基体间的润湿性和结合强度。

Description

纳米颗粒掺杂钛基钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及钎焊材料技术领域，具体的说，涉及了一种纳米颗粒掺杂钛基钎料及其制备方法。

背景技术

TiAl合金作为一种轻质高温结构材料，可以代替目前航空航天及民用工业常用的镍基高温合金、耐热钢及钛合金。由于其具有优异的高温综合性能，特别适合制造先进发动机的压气机叶片和喷管中的相关部件。然而TiAl合金的本质脆性使其难于进行室温压力加工，从而限制了该合金的大范围应用。

实现TiAl合金自身及其与其他材料的可靠连接对于推进TiAl合金在航空航天领域的进一步应用有着重要的作用。目前TiAl合金连接以钎焊为主，但普遍存在着钎焊接头易形成微裂纹或钎缝中连续的银基等固溶体组织强度较低，且其与TiAl母材的线膨胀系数差异较大等缺陷，从而导致了钎焊接头强度不高

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

由鉴于此，本发明确有必要提供一种纳米颗粒掺杂钛基钎料及其制备方法。

本发明所采用的技术方案是：一种制备纳米颗粒掺杂钛基钎料的方法，其步骤包括：

（1）称取原材料Cu粉、Zr粉以及中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni，并称取平均颗粒尺寸为5 nm～35 nm的Si₃N₄颗粒，所述Si₃N₄颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料总质量的3%～15.3%；

（2）将称取的Cu粉、Zr粉置于中频真空冶炼炉坩埚中在氩气保护下进行熔化，当完全溶化后加入称取的中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni进行混合熔炼铜液，当铜液成分以质量百分数计为Al 7.0%～9.8%、Zr 11.2%～19.3%、Ti 42.3%～53.7%、Ni 3.0%～7.8%，其余为Cu时，得到熔融体；

（3）采用气雾水冷雾化制粉工艺对所述熔融体进行雾化制粉，得到钛基钎料微粉，然后向所述钛基钎料微粉中加入所述Si₃N₄颗粒并在真空条件下进行球磨混合10min～35min，制得纳米颗粒掺杂钛基钎料。

基于上述，所述步骤（3）中对所述熔融体进行雾化制粉时的雾化压力为0.7MPa～1.2MPa，雾化喷嘴直径为10mm～27mm。

需要说明的是，采用气雾水冷雾化制粉方法将所述熔融体进行雾化制粉过程中，所用到的制粉装置为该制粉通用的设备，包括盛料桶、冷取塔、喷嘴模具、浇口杯、中间包、高压管道和氩气瓶；所述盛料桶与所述冷取塔连通并且内部均盛有水，所述氩气瓶通过所述高压管道与所述喷嘴模具相连接，所述喷嘴模具包括上模具和下模具，所述上模具和所述下模具中部均开设有直径为10mm～27mm的雾化喷嘴，所述浇口杯与位于所述上模具表面的雾化喷嘴相连接，所述下模具上还设置有高压气体流通槽，该高压气体流通槽与位于所述下模具表面的雾化喷嘴相连接。

本发明还提供一种由所述的制备方法制得的纳米颗粒掺杂钛基钎料，它包括钛基钎料微粉和所述Si₃N₄颗粒，所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al 7.0%～9.8%、Zr 11.2%～19.3%、Ti 42.3%～53.7%、Ni 3.0%～7.8%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数大于等于52.5%。

本发明提供的微米颗粒增强特高温耐磨钎焊条中各元素的作用如下：

Cu是可以与钛具有强烈合金化作用的元素，能够在短时间内扩散到钛基体金属中形成扩散层，得到高强度钎焊层。而钎焊过程中纳米Si₃N₄颗粒与液相钎料中的活性Ti元素反应生成亚微米级别的TiN和Ti₅Si₃两种化合物，且纳米Si₃N₄颗粒与液相钎料中的活性Ti反应会在一定程度上抑制Al-Cu-Ti三元金属间化合物的形成，造成TiAl侧AlCuTi反应层厚度的减小，从而增加了形核率，提高了钎焊接头的强度。更重要的是，该纳米颗粒掺杂钛基钎料是采用气雾水冷雾化制粉工艺对所述熔融体进行雾化制粉得到的，避免了通过浇铸方法中生成脆性金属间化合物或共晶物现象，且由高压气流产生的动能是熔融体雾化并急速水冷，改善了铸态组织的形貌，使得晶粒组织较为均匀，该纳米颗粒掺杂钛基钎料的宏观颗粒基本呈现球形、橄榄球形，从而增加钎料的填充性能，进而改善了钎焊层与TiAl合金基体间的润湿性和结合强度。试验证明，利用本发明提供的纳米颗粒掺杂钛基钎料钎焊厚度为2.0mm～3.7mm的钎焊接头的常温抗拉强度可达340 MPa～387 MPa。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种制备纳米颗粒掺杂钛基钎料的方法，其步骤包括：

（1）称取原材料Cu粉、Zr粉以及中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni，并称取平均颗粒尺寸为5 nm的Si₃N₄颗粒，所述Si₃N₄颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料总质量的15.3%；

（2）将称取的Cu粉、Zr粉置于中频真空冶炼炉坩埚中在氩气保护下进行熔化，当完全溶化后加入称取的中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni进行混合熔炼铜液，当铜液成分以质量百分数计为Al 9.8%、Zr 19.3%、Ti 42.3%、Ni 3.0%，其余为Cu时，得到熔融体；

（3）采用气雾水冷雾化制粉工艺对所述熔融体进行雾化制粉，得到钛基钎料微粉，然后向所述钛基钎料微粉中加入所述Si₃N₄颗粒并在真空条件下进行球磨混合35min，制得纳米颗粒掺杂钛基钎料。其中，将所述熔融体进行雾化制粉时的雾化压力为1.2MPa，雾化喷嘴直径为27mm。

本实施例还提供一种由所述的制备方法制得的纳米颗粒掺杂钛基钎料，它包括所述钛基钎料微粉和所述Si₃N₄颗粒，所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al9.8%、Zr 19.3%、Ti 42.3%、Ni 3.0%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数为52.5%。

钎焊接头性能测试：采用本实施例提供的纳米颗粒掺杂钛基钎料将两段TiAl合金标准拉伸试样在真空炉中钎焊成拉伸试样，通过抗拉强度来评价钎焊层与TiAl合金基体的结合性能。经测试，利用本实施例提供的纳米颗粒掺杂钛基钎料在TiAl合金基体上制备的厚度为3.0mm的钎焊接头在常温下的抗拉强度可达到387MPa。

实施例2

本实施例提供一种制备纳米颗粒掺杂钛基钎料的方法，其步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于：

本实施例中所述步骤（1）为：称取原材料Cu粉、Zr粉以及中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni，并称取平均颗粒尺寸为35 nm的Si₃N₄颗粒，所述Si₃N₄颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料总质量的3%；

所述步骤（2）为：将称取的Cu粉、Zr粉置于中频真空冶炼炉坩埚中在氩气保护下进行熔化，当完全溶化后加入称取的中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni进行混合熔炼铜液，当铜液成分以质量百分数计为Al 9.8%、Zr 11.2%、Ti 42.3%、Ni 7.8%，其余为Cu时，得到熔融体。

本实施例还提供一种由所述的制备方法制得的纳米颗粒掺杂钛基钎料，它包括所述钛基钎料微粉和所述Si₃N₄颗粒，所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al9.8%、Zr 11.2%、Ti 42.3%、Ni 7.8%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数为55%。

采用与实施例1相同的性能测试方法，测得由本实施例提供的纳米颗粒掺杂钛基钎材在TiAl合金基体上制备的厚度为2.7mm的钎焊接头在常温下的抗拉强度可达到340MPa。

实施例3

本实施例中所述步骤（1）为：称取原材料Cu粉、Zr粉以及中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni，并称取平均颗粒尺寸为20 nm的Si₃N₄颗粒，所述Si₃N₄颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料总质量的11.1%；

所述步骤（2）为：将称取的Cu粉、Zr粉置于中频真空冶炼炉坩埚中在氩气保护下进行熔化，当完全溶化后加入称取的中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni进行混合熔炼铜液，当铜液成分以质量百分数计为Al 8.8%、Zr 13.7%、Ti 49.5%、Ni 7.8%，其余为Cu时，得到熔融体；

本实施例还提供一种由所述的制备方法制得的纳米颗粒掺杂钛基钎料，它包括所述钛基钎料微粉和所述Si₃N₄颗粒；

所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al 8.8%、Zr 13.7%、Ti 49.5%、Ni7.8%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数为57.3%。

采用与实施例1相同的性能测试方法，测得由本实施例提供的纳米颗粒掺杂钛基钎材在TiAl合金基体上制备的厚度为3.0mm的钎焊接头在常温下的抗拉强度可达到352MPa。

实施例4

本实施例中所述步骤（1）为：称取原材料Cu粉、Zr粉以及中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni，并称取平均颗粒尺寸为15 nm的Si₃N₄颗粒，所述Si₃N₄颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料总质量的15.0%；

所述步骤（2）为：将称取的Cu粉、Zr粉置于中频真空冶炼炉坩埚中在氩气保护下进行熔化，当完全溶化后加入称取的中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni进行混合熔炼铜液，当铜液成分以质量百分数计为Al 8.8%、Zr 19.3%、Ti 42.3%、Ni 7.8%，其余为Cu时，得到熔融体；

所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al 8.8%、Zr 19.3%、Ti 42.3%、Ni7.8%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数为60%。

采用与实施例1相同的性能测试方法，测得由本实施例提供的纳米颗粒掺杂钛基钎材在TiAl合金基体上制备的厚度为2.5mm的钎焊接头在常温下的抗拉强度可达到370MPa。

实施例5

本实施例中所述步骤（1）为：称取原材料Cu粉、Zr粉以及中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni，并称取平均颗粒尺寸为17 nm的Si₃N₄颗粒，所述Si₃N₄颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料总质量的9.9%；

所述步骤（2）为：将称取的Cu粉、Zr粉置于中频真空冶炼炉坩埚中在氩气保护下进行熔化，当完全溶化后加入称取的中间合金Cu-Al、Cu-Ti和Cu-Ni进行混合熔炼铜液，当铜液成分以质量百分数计为Al 7.7%、Zr 14.5%、Ti 53.7%、Ni 6.6%，其余为Cu时，得到熔融体；

所述步骤（3）中对所述熔融体进行雾化制粉时的雾化压力为1.2MPa，雾化喷嘴直径为22mm。

所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al 7.7%、Zr 14.5%、Ti 53.7%、Ni6.6%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数为61.5%。

采用与实施例1相同的性能测试方法，测得由本实施例提供的纳米颗粒掺杂钛基钎材在TiAl合金基体上制备的厚度为2.4mm的钎焊接头在常温下的抗拉强度可达到372MPa。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种制备纳米颗粒掺杂钛基钎料的方法，其步骤包括：

（3）采用气雾水冷雾化制粉工艺对所述熔融体进行雾化制粉得到钛基钎料微粉，然后向所述钛基钎料微粉中加入所述Si₃N₄颗粒并在真空条件下进行球磨混合10min～35min，制得纳米颗粒掺杂钛基钎料。

2.根据权利要求1所述的制备纳米颗粒掺杂钛基钎料的方法，其特征在于，所述步骤（3）中对所述熔融体进行雾化制粉时的雾化压力为0.7MPa～1.2MPa，雾化喷嘴直径为10mm～27mm。

3.一种由权利要求1或2所述的制备方法制得的纳米颗粒掺杂钛基钎料，其特征在于，它包括所述钛基钎料微粉和所述Si₃N₄颗粒，所述钛基钎料微粉由以下质量百分数的元素组成：Al 7.0%～9.8%、Zr 11.2%～19.3%、Ti 42.3%～53.7%、Ni 3.0%～7.8%，其余为Cu；其中，所述纳米颗粒掺杂钛基钎料中颗粒尺寸小于200目的颗粒占所述纳米颗粒掺杂钛基钎料的质量百分数大于等于52.5%。