CN110369907B - 一种用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料及其连接方法 - Google Patents

一种用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料及其连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高Nb‑TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料及其连接方法，属于焊接技术领域。该钎料包含AgCu粉、Nb粉，AgCu粉质量占总质量的质量百分比为90％，Nb粉质量占总质量的质量分数为10％。本发明中通过添加Nb粉增强AgCu基钎料连接Al2O3陶瓷与高Nb‑TiAl合金的方法，不仅增强了钎料的填缝能力，而且降低了被连接材料的热膨胀系数错配，减小了接头的残余应力，从而提高钎焊接头的剪切强度。本发明采用的钎料连接工艺稳定可靠，操作简便，具有重要的应用价值，便于广泛的推广。

Description

一种用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料及其连接 方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料及其连接方法。
背景技术
Al2O3陶瓷具有耐磨性好，导热系数低的特点，广泛应用在能源转换器和航空航天领域。然而Al2O3陶瓷固有的刚性和脆性限制了其结构应用，因此常常选择将 Al2O3陶瓷与自身金属部件连接。由于Al2O3陶瓷的热膨胀系数低于钎料合金及金属母材，因此在冷却过程中接头不可避免的产生残余应力。且由于陶瓷塑性变形能力较差，使得陶瓷中的残余应力无法得到释放。如何实现Al2O3陶瓷和金属的可靠连接变为一大难题。
由于高Nb-TiAl合金具有低密度、强度高、耐高温等特性，在航天航空方面有着重要的应用价值。就目前而言，用于高Nb-TiAl合金的焊接技术主要有激光焊、钎焊、摩擦焊等。钎焊技术在TiAl合金与陶瓷材料的连接中有着自身的巨大优势，有着良好的应用前景，但是目前开展的TiAl合金与陶瓷材料的钎焊连接性能，还有待进一步提高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，进一步获得高强度的钎焊接头，本发明了提供一种用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料及其连接方法，通过在AgCu粉钎料中加入Nb粉，增强钎料的填缝能力，并降低被连接材料的热膨胀系数错配，减小接头的残余应力，从而提高钎焊接头的剪切强度。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料，其包括有AgCu粉、Nb粉，AgCu粉质量占总质量的质量百分比为90％，Nb粉质量占总质量的质量分数为10％。
作为优选，所述的AgCu粉颗粒度为38μm，所述的Nb粉颗粒度为20μm。
作为优选，所述钎料通过行星式高能球磨机将AgCu粉和Nb粉混合球磨8h。
本发明的另一目的在于提供一种利用如上述任一方案所述钎料的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，其包括如下步骤：
1)使用行星式高能球磨机，将颗粒度为38μm、质量分数为90％的AgCu粉末和颗粒度为20μm、质量分数为10％的Nb粉混合球磨8h，制备得AgCu-Nb钎料；
2)将待焊的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金分别加工成目标规格的样品；
3)将步骤2)中所述待焊的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金钎焊面进行研磨及抛光预处理，再将其分别放入超声清洗机中，用无水乙醇超声清洗10～15min并放置干燥箱中干燥；
4)钎焊在真空炉中进行，在钎焊炉中按照Al2O3陶瓷在下，高Nb-TiAl合金在上的顺序装配好堆放在模具中，高Nb-TiAl合金和Al2O3陶瓷中间放置步骤1)中制备的AgCu-Nb钎料；
5)对放置在上方的高Nb-TiAl合金施加大小为0.01～0.05MPa的压力，以控制钎料粉末层的厚度在90～110μm范围内；
6)使真空钎焊炉开始升温，以10℃/min的速率升温至750℃，保温十分钟，再以5℃/min的速率升温至810～930℃，保温十分钟，保温结束后再控制冷却速度为5℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却至室温，即实现Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金的连接。
作为优选，所述的步骤3)中，将待焊的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金钎焊面依次用80目、180目、400目、800目、1200目、2000目的金相砂纸研磨，然后再将待钎焊的样品分别置于抛光机上抛光至没有划痕。
作为优选，所述的步骤4)中，真空钎焊炉的真空度需达到1×10-3Pa。
作为优选，所述的步骤5)中的钎料粉状层的厚度为100μm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)由于高Nb-TiAl合金中含有Nb，在原有AgCu共晶中加入Nb元素可使钎料与母材成分相近，使其具有较好的冶金共容性。这可避免由于钎料与母材共容性较差，引起界面处形成大量的脆性金属间化合物的情况，从而保证了接头的力学性能；
2)Nb粉由于自身热膨胀系数较低，其加入能够减小钎料合金的热膨胀系数，从而减轻钎料与母材基体之间由于热失配引起的应力；
3)在真空钎焊过程中，由于Nb颗粒不熔化，在母材与钎缝之间能够形成框架结构，从而有助于提高钎料的毛细填缝能力；
4)Nb作为高熔点金属，在钎焊过程中仍为固态，其作为形核点，可促进Al、Cu、Ti在Nb表面聚集，并产生异质形核，促进晶粒的细化；Nb在钎焊温度下少量扩散至钎缝各个区域，可起到固溶强化的作用；
5)通过将Nb粉加入AgCu钎料的方法有效减小Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金焊接接头中的残余应力，使焊接得到的接头具有较好的剪切强度，构件无变形，没有裂纹、气孔等缺陷。
6)其钎料连接工艺稳定可靠，操作简便，具有重要的应用价值，便于广泛的推广。
附图说明
图1为实施例1中Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金钎焊接头的微观组织形貌图。
图2为现有技术中制得的透明Al2O3陶瓷和TiAl合金钎焊接头的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例说明本发明的具体实现以及技术效果。
实施例1
本实施例中，用于高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接的钎料的成分及质量百分比为：AgCu：90％，Nb粉：10％。
利用上述钎料的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的AgCu共晶粉及Nb粉，AgCu粉颗粒度为38μm，Nb粉颗粒度为20μm，使用行星式高能球磨机混合球磨8h，制备AgCu-Nb钎料；
2)将待钎焊的Al2O3陶瓷加工成4mm×4mm×4mm规格的试样，将高Nb-TiAl合金(成分为Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.1Y)加工成10mm×10mm×4mm规格的试样；
3)将高Nb-TiAl合金试样和Al2O3陶瓷试样的对接面加工平整，并对待焊接的两种材料表面依次用80目、180目、400目、800目、1200目、2000目的金相砂纸研磨，然后再将两种材料分别放置在抛光机上抛光至无痕，将抛光后的Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金分别放入超声清洗机中，用无水乙醇超声清洗15min并放置干燥箱中干燥；
4)干燥完成后，在真空钎焊炉中按照Al2O3陶瓷在下，高Nb-TiAl合金在上的顺序装配好堆放在模具中，高Nb-TiAl合金和Al2O3陶瓷中间放置AgCu-Nb钎料粉，对放置在上方的高Nb-TiAl合金施加0.03MPa压力，以控制钎料粉末层的厚度为 100μm；真空钎焊炉的真空度为1×10-3Pa；
5)对真空钎焊炉开始升温，以10℃/min的速率升温至750℃，保温十分钟，再以5℃/min的速率升温至900℃，保温十分钟，保温结束后再控制冷却速度为5℃ /min，冷却至300℃，然后再随炉冷却至室温，完成实现Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金的钎焊连接。
实施例2
采用实施例1中的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，对Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金材料进行钎焊，区别在于步骤5)中第二次升温升至810℃后保温十分钟，其它条件和实施例1相同。
实施例3
采用实施例1中的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，对Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金材料进行钎焊，区别在于步骤5)中第二次升温升至840℃后保温十分钟，其它条件和实施例1相同。
实施例4
采用实施例1中的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，对Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金材料进行钎焊，区别在于步骤5)中第二次升温升至870℃后保温十分钟，其它条件和实施例1相同。
实施例5
采用实施例1中的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，对Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金材料进行钎焊，区别在于步骤5)中第二次升温升至930℃后保温十分钟，其它条件和实施例1相同。
对比例1
采用实施例1中的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，对Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金材料进行钎焊，区别在于钎料的成分只有AgCu共晶粉，其它条件和实施例1相同。
对比例2
采用实施例1中的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，对Al2O3陶瓷与高Nb-TiAl合金材料进行钎焊，区别在于钎料的成分及质量百分比为：AgCu：85％，Nb粉：15％，其它条件和实施例1相同。
将上述实施例和对比例得到的钎焊接头置于万能试验机上测试其剪切强度，其结果如表1所示：
表1各实施例和对比例中获得的钎焊接头剪切强度：
Figure GDA0002957744850000051
部分现有技术中采用AgCu-Ti复合钎料钎焊Al2O3与TiAl合金，实验制得接头如图2所示，钎缝晶粒组织粗大,出现β-Ti脆性相，最高剪切应力为49Mpa。由表1 的数据得知，通过本发明提供的的、高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，获得的钎焊接头剪切强度良好。其中实施例1中，当钎焊温度为900℃，且复合钎料的成分质量百分比为90％的AgCu及10％的Nb粉时，接头剪切强度最大，为206.66MPa，该结果为他人研究中接头剪切强度的4.2倍。这是因为接头中的晶粒组织细小，且Nb粉的加入降低了被连接母材的热膨胀系数错配，同时通过异质形核、固溶强化的方式提高了接头的力学性能。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种利用钎料的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）使用行星式高能球磨机，将颗粒度为38μm、质量分数为90%的AgCu粉和颗粒度为20μm、质量分数为10%的Nb粉混合球磨8h，制备得AgCu-Nb钎料；
2）将待焊的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金分别加工成目标规格的样品；
3）将步骤2）中所述待焊的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金钎焊面进行研磨及抛光预处理，再将其分别放入超声清洗机中，用无水乙醇超声清洗10~15min并放置干燥箱中干燥；
4）钎焊在真空炉中进行，在真空炉中按照Al2O3陶瓷在下，高Nb-TiAl合金在上的顺序装配好堆放在模具中，高Nb-TiAl合金和Al2O3陶瓷中间放置步骤1）中制备的AgCu-Nb钎料；
5）对放置在上方的高Nb-TiAl合金施加大小为0.01~0.05MPa的压力，以控制钎料层的厚度在90~110μm范围内；
6）使真空炉开始升温，以10℃/min的速率升温至750℃，保温十分钟，再以5℃/min的速率升温至810~930℃，保温十分钟，保温结束后再控制冷却速度为5℃/min，冷却至300℃，然后再随炉冷却至室温，即实现Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金的连接。
2.如权利要求1所述的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，其特征在于，所述待焊的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金钎焊面分别依次用80目、180目、400目、800目、1200目、2000目的金相砂纸研磨，然后再将研磨后的Al2O3陶瓷和高Nb-TiAl合金钎焊面分别置于抛光机上抛光至没有划痕。
3.如权利要求1所述的高Nb-TiAl合金与氧化铝陶瓷连接方法，其特征在于，所述步骤5）中AgCu-Nb钎料层的厚度为100μm。
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