CN110539047B - 一种铼铌钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铼铌钎焊方法，属于焊接技术领域。所用钎料由Ti、Ni、Nb三种元素单质混合而成，其中，Nb的原子摩尔分数≤30％。采用本发明提供的钎料制备的铼铌钎焊接头可实现铼铌可靠连接，满足接头强度和气密性的可靠性要求，可适用于发动机燃烧室与铌过渡环嵌套结构的连接，以及满足1200℃高温环境下接头长寿命(>7h)使用要求，1000℃时接头强度不小于100MPa。本发明应用于铼铱发动机燃烧室与喷注器和扩张段的连接，可有效提高铼铱发动机连接部位可靠性，降低铼基材焊接难度，对于提高发动机工作可靠性具有重要意义。

Description

一种铼铌钎焊方法

技术领域

本发明涉及一种铼铌钎焊方法，属于焊接技术领域。

背景技术

铼铱发动机推力室，铼作为基材，铱作为涂层，其中难熔金属铼具有良好高温力学性能，适于超高温和强热震环境使用。铌及铌合金是常用的高温基体结构材料，工作温度不高于1500℃，在铼铱发动机中作为尾喷管材料或嵌套过渡环材料，应用时需要将铼基体与铌合金进行焊接。

目前，铼铌连接多采用电子束焊接等熔化焊方法，由于焊后接头中存在大量脆性相，导致焊后出现多处裂纹，极易发生开裂，使得铼与铌采用电子束焊接存在很大问题，严重影响铼铱发动机工作可靠性。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种铼铌钎焊方法，得到室温和高温(1200℃)环境下抗拉强度高、耐高温且不易开裂的焊接接头，可解决铼铱发动机燃烧室与喷注器和尾喷管连接问题，加速国内铼铱发动机工程应用化进程。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种铼铌钎焊方法，采用三元钎料对铼材料与铌材料进行钎焊，所述三元钎料由Ti、Ni、Nb三种元素单质按以下原子摩尔分数混合而成：

Ti25～45％、Ni25～45％、Nb10～30％。

在一可选实施例中，焊接时，将待焊接的铼材料和铌材料一个作为基底另一个作为上层材料，将所述基底平放，并在所述基底上表面铺放一层钎料，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，加热，进行真空钎焊或氢气保护钎焊。

在一可选实施例中，钎焊温度为1050～1300℃，保温时间5～40min。

在一可选实施例中，当进行真空钎焊时，真空气压≤8×10^-3Pa；当进行氢气保护钎焊时，保护性气体流量为5～10L/min。

在一可选实施例中，所述单质的形态为粉末或箔片。

在一可选实施例中，所述粉末粒度为300～500目；所述箔片厚度为100～150μm。

在一可选实施例中，当钎料为粉末状时，所述在所述基底上表面铺放一层钎料，包括：

先将钎料混合均匀，然后在所述基底上表面铺放0.3～0.5mm厚的一层钎料。

在一可选实施例中，当钎料为箔片状时，所述在所述基底上表面铺放一层钎料，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，包括：

先将各金属箔片去除表面氧化膜后，按照配比确定各金属箔片层数；

将三种金属箔片按照预设规律依次叠放压紧，去除相邻两层箔片之间的间隙，得到待铺放钎料，所述待铺放钎料中，至少有一个外表面为Ti层；

将所述待铺放钎料铺放在所述基底上，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，铺放时确保所述铼材料与Ti层相贴。

在一可选实施例中，所述待铺放钎料厚度为0.3～0.5mm。

在一可选实施例中，所述将三种金属箔片按照预设规律依次叠放压紧，包括：

将三种金属箔片按照预设规律依次叠放，通过低温层压法压紧直至厚度为0.3～0.5mm。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的用于铼铌钎焊的钎料，通过将Ti、Ni、Nb三种元素单质混合，得到一种Ti、Ni、Nb三元复合钎料，由于Re与Ti可进行完全互溶，Ni与Re和Nb也有着较高的互溶性，同时Ti和Ni在1000℃左右可产生综合性能较好的TiNi金属间化合物，可得到力学性能较好的焊接接头，通过Nb的少量加入，不仅能有助于钎料的互溶，既可产生熔点较高的Nb-Ti互溶体，提高了焊接接头的高温力学性能，又避免了Re-Nb脆性相的产生，从而得到室温和高温(1200℃)环境下抗拉强度高、耐高温且不易开裂的焊接接头；

本发明实施例制备的铼铌钎焊接头，接头宏观无明显裂纹、孔洞等缺陷，接头室温力学性能不低于260MPa，满足1200℃高温环境下接头长寿命(>7h)使用要求，1000℃时接头强度不小于110MPa。

附图说明

图1本发明实施例2提供的铼铌钎焊连接接头组织微观形貌。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种用于铼铌钎焊的钎料，由Ti、Ni、Nb三种元素单质混合而成，其中，Nb的原子摩尔分数≤30％。

本发明实施例提供的用于铼铌钎焊的钎料，通过将Ti、Ni、Nb三种元素单质混合，得到一种Ti、Ni、Nb三元复合钎料，由于Re与Ti可进行完全互溶，Ni与Re和Nb也有着较高的互溶性，同时Ti和Ni在1000℃左右可产生综合性能较好的TiNi金属间化合物，可得到力学性能较好的焊接接头，通过Nb的少量加入，不仅能有助于钎料的互溶，既可产生熔点较高的Nb-Ti互溶体，提高了焊接接头的高温力学性能，又避免了Re-Nb脆性相的产生，从而得到室温和高温(1200℃)环境下抗拉强度高、耐高温且不易开裂的焊接接头。

在一可选实施例中，所述的用于铼铌钎焊的钎料，由以下原子摩尔分数的元素组成：

Ti25～45％、Ni25～45％、Nb10～30％。该配比，既能避免由于Nb含量过高导致焊接界面产生较多的脆性相，又能解决Nb含量过少导致的焊接接头性能较差的问题。

在一可选实施例中，所述单质的形态为粉末或箔片。

在一可选实施例中，所述粉末粒度为300～500目；所述箔片厚度为100～150μm。在钎焊时，填充的钎料厚度需要进行精确控制，当采用该粒度粉末时既能灵活调整钎料厚度，又能确保各元素均匀混合，保证钎料整体性质的一致性；当采用该厚度箔片时，既能有效进行灵活配置，又能确保进行压紧时箔片发生变形，确保箔片各层之间间隙完全去除，实现了钎料的完全混合。

本发明实施例还提供了一种铼铌钎焊方法，采用上述钎料实施例提供的钎料进行焊接。

关于钎料及具体效果的详细描述参见上述钎料实施例，在此不再赘述。

在一可选实施例中，焊接时，将待焊接的铼材料一个作为基底、铌材料作为上层材料，将所述基底平放，并在所述基底上表面铺放一层钎料，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，加热，进行真空钎焊或氢气保护钎焊。在一可选实施例中，钎焊温度为1050～1300℃，保温时间5～40min。钎焊温度控制在1050～1300℃时，可实现Ti、Ni、Nb三种元素的有效互溶，一方面可产生综合性能较好的TiNi-Nb金属间化合物，同时也避免了在较高温度下产生的Re-Nb脆性相，实现了铼铌的有效连接。

在一可选实施例中，当进行真空钎焊时，真空气压≤8×10^-3Pa；当进行氢气保护钎焊时，保护性气体流量为5～10L/min。

在一可选实施例中，当钎料为粉末状时，所述在所述基底上表面铺放一层钎料，包括：

先将钎料混合均匀，然后在所述基底上表面铺放0.3～0.5mm厚的一层。

在一可选实施例中，当钎料为箔片状时，所述在所述基底上表面铺放一层钎料，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，包括：

先将各金属箔片去除表面氧化膜后，按照配比确定各金属箔片层数，其中，金属箔片需能够进行一定程度的弯曲变形，确保能够充分填入焊接面中，可以根据对接面的形状和钎料添加量和箔片单层厚度等因素进行计算确定箔片层数；

本发明实施例中，优选经过不小于600目的砂纸进行打磨或不少于15min的酸洗处理充分去除表面氧化膜；

将三种金属箔片按照预设规律依次叠放压紧，去除相邻两层箔片之间的间隙，得到待铺放钎料，所述待铺放钎料中，至少有一个外表面为Ti层；

将所述待铺放钎料铺放在所述基底上，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，铺放时确保所述铼材料与Ti层相贴。由于Re元素与Ti元素可形成完全互溶二元体系，将铼材料与Ti层相贴时，可确保在钎料熔化的初期阶段，铼材料表面不产生Re-Ni、Re-Nb等脆性金属间化合物，去除了焊接时可能产生的质量风险，保证了铼材料与铌材料钎焊连接的有效进行。

在一可选实施例中，所述待铺放钎料厚度为0.3～0.5mm。

在一可选实施例中，所述将三种金属箔片按照预设规律依次叠放压紧，包括：

将三种金属箔片按照预设规律依次叠放，通过低温层压法压紧直至厚度为0.3～0.5mm。

以下为本发明的两个具体实施：

实施例1

本发明实施例提供了一种铼铌钎焊连接方法，具体包括以下步骤：

1、钎料配置

按照以下原子摩尔分数称取金属粉末，所述粉末粒度为300目：

Ti45％、Ni45％、Nb10％；

将称取的粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中，球磨罐置于球磨机上进行球磨2-3h；得到待用钎料；

2、钎焊

将铼金属板作为基底、铌金属板作为上层材料，将基体水平放置，在基体上表面铺放一层厚度为0.3mm的钎料，然后将上层材料平放在钎料上，得到待焊接结构；

将所述待焊接在气压为8×10^-3Pa、温度为1050℃下，保温时间40min，得到焊接后的铼铌结构。

表1实施例1提供的铼铌钎焊连接接头性能测试结果

实施例2

本发明实施例提供了一种铼铌钎焊连接方法，具体包括以下步骤：

1、钎料配置

经过600目的砂纸对厚度为100μm的Ti箔片、Ni箔片及Nb箔片进行打磨去除表面氧化膜；

按照以下原子摩尔分数取去除表面氧化膜后的金属箔片，所述箔片初始厚度为100μm：

Ti 25％、Ni 45％、Nb 30％；最终取Ti1层、Ni 2层、Nb2层，按照Ti-Ni-Nb-Ni-Nb的顺序循环叠放各箔片，在80℃下压至0.3mm厚，然后裁剪成与对接面形状一致，得到待铺放钎料；

2、钎焊

将铼金属作为基底、铌金属板板作为上层材料，将基体水平放置，在基体上表面铺放一层厚度为0.3mm的钎料，然后将所述待铺放钎料中Ti层与基底相贴平放在钎料上，得到待焊接结构；

将所述待焊接在气压为8×10^-3Pa、温度为1300℃下，保温时间5min，得到焊接后的铼铌结构。

表2实施例2提供的铼铌钎焊连接接头性能测试结果

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种铼铌钎焊方法，其特征在于，采用三元钎料对铼材料与铌材料进行钎焊，所述三元钎料由Ti、Ni、Nb三种元素单质按以下原子摩尔分数混合而成：

Ti25～45％、Ni25～45％、Nb10～30％；

焊接时，将待焊接的铼材料和铌材料一个作为基底另一个作为上层材料，将所述基底平放，并在所述基底上表面铺放一层钎料，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，加热，进行真空钎焊或氢气保护钎焊；所述的钎料为粉末状或者箔片状。

2.根据权利要求1所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，钎焊温度为1050～1300℃，保温时间5～40min。

3.根据权利要求1所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，当进行真空钎焊时，真空气压≤8×10^-3Pa；当进行氢气保护钎焊时，保护性气体流量为5～10L/min。

4.根据权利要求2所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，所述单质的形态为粉末或箔片。

5.根据权利要求4所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，所述粉末粒度为300～500目；所述箔片厚度为100～150μm。

6.根据权利要求5所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，当钎料为粉末状时，所述在所述基底上表面铺放一层钎料，包括：

先将钎料混合均匀，然后在所述基底上表面铺放0.3～0.5mm厚的一层钎料。

7.根据权利要求5所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，当钎料为箔片状时，所述在所述基底上表面铺放一层钎料，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，包括：

先将各金属箔片去除表面氧化膜后，按照配比确定各金属箔片层数；

将三种金属箔片按照预设规律依次叠放压紧，去除相邻两层箔片之间的间隙，得到待铺放钎料，所述待铺放钎料中，至少有一个外表面为Ti层；

将所述待铺放钎料铺放在所述基底上，然后将所述上层材料平放在所述钎料上，铺放时确保所述铼材料与Ti层相贴。

8.根据权利要求7所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，所述待铺放钎料厚度为0.3～0.5mm。

9.根据权利要求7所述的铼铌钎焊方法，其特征在于，所述将三种金属箔片按照预设规律依次叠放压紧，包括：

将三种金属箔片按照预设规律依次叠放，通过低温层压法压紧直至厚度为0.3～0.5mm。

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