CN110539048B - 一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铼‑碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，属于焊接技术领域。所述方法采用三元钎料对基体与铌材料进行钎焊，所述三元钎料由Ti、Ni、Nb三种元素单质混合而成，其中，Nb的原子摩尔分数≤30％，所述基体的焊接面包括铼材料和碳/碳复合材料，本发明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。

Description

一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法
技术领域
本发明涉及一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
铼铱-碳/碳复合材料发动机推力室，碳/碳复合材料作为基材，铼作为内衬，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-碳碳复合材料基体与铌合金进行焊接。
其中碳/碳复合材料与金属铌的连接普遍采用钎焊的方法，钎料通常选用Ti单质和Ni单质的混合物，该方法焊接后金属铌与碳/碳复合材料的结合强度较低，且该焊料无法实现铼和铌的钎焊连接；目前，铼铌连接时一般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。
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-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，该方法制得的焊接接头室温力学性能不低于60MPa，满足1200℃高温环境下接头长寿命(>7h)使用要求。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，采用三元钎料对基体与铌材料进行钎焊，所述三元钎料由Ti、Ni、Nb三种元素单质混合而成，其中，Nb的原子摩尔分数≤30，所述基体的焊接面包括铼材料和碳/碳复合材料。
在一可选实施例中，所述三元钎料由以下原子摩尔分数的元素组成：
Ti25-45％、Ni25-45％、Nb10-30％。
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，焊接时，将所述铌材料平放，并在所述铌材料上表面铺放一层钎料，然后将所述基体的焊接面朝下平放在所述钎料上，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，当钎料为粉末状时，所述在所述铌材料上表面铺放一层钎料，包括：
先将钎料混合均匀，然后在在所述铌材料上表面铺放一层0.3-0.5mm 厚的钎料。
在一可选实施例中，当钎料为箔片状时，所述在所述铌材料上表面铺放一层钎料，然后将所述基体的焊接面朝下平放在所述钎料上，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铌材料上，然后将所述基体平放在所述钎料上，铺放时确保所述基体焊接面上的铼材料与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：
(1)本发明实施例提供的一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，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，且Ti与碳/碳复合材料能够发生反应，形成TiC，可有效提高二者连接强度，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整体的焊接接头，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；
(2)该方法制得的焊接接头室温强度不低于60MPa，满足1200℃高温环境下接头长寿命(>7h)使用要求。
(3)在钎焊时，填充的钎料厚度需要进行精确控制，当采用本发明提供的粉末粒度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；当采用本发明提供的箔片厚度时，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；
(4)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，使碳/碳复合材料表面可充分与钎料进行反应，同时也避免了在较高温度下产生的 Re-Nb脆性相，实现了铼-碳碳复合材料与铌的有效连接。
(5)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；同时，当Ti层与碳/碳复合材料相贴，焊接时，首先在碳/碳复合材料表面发生Ti与C的反应，形成TiC，有助于使碳/碳复合材料与钎料形成良好的结合。
附图说明
图1铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接结构示意图。
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铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，采用三元钎料对基体与铌材料进行钎焊，所述三元钎料由Ti、 Ni、Nb三种元素单质混合而成，其中，Nb的原子摩尔分数≤30％，所述基体的焊接面包括铼材料和碳/碳复合材料。
本发明实施例提供的一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，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，且Ti与碳/碳复合材料能够发生反应，形成TiC，可有效提高二者连接强度，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整体的焊接接头，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，所述三元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。
在一可选实施例中，焊接时，将所述铌材料平放，并在所述铌材料上表面铺放一层钎料，然后将所述基体的焊接面朝下平放在所述钎料上，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，所述在所述铌材料上表面铺放一层钎料，包括：先将钎料混合均匀，然后在在所述铌材料上表面铺放一层0.3-0.5mm厚的钎料。
在一可选实施例中，当钎料为箔片状时，所述在所述铌材料上表面铺放一层钎料，然后将所述基体的焊接面朝下平放在所述钎料上，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，可以根据焊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；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铌材料上，然后将所述基体平放在所述钎料上，铺放时确保所述基体焊接面上的铼材料与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
如图1所示，本发明实施例提供了一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其中基体由碳/碳复合材料块和铼金属块对拼而成，所述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
将铌金属板水平放置，在其上表面铺放一层厚度为0.3mm的钎料，然后将碳/碳复合材料块和铼金属块按预设位置平放在钎料上，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-碳/碳复合材料与铌的复合结构。
表1铼-碳/碳复合材料与铌连接接头性能测试结果
Figure BDA0002153077900000071
实施例2
本发明实施例提供了一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，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
将铌金属板水平放置，在其上表面铺放所述待铺放钎料，然后将碳/碳复合材料块和铼金属块按预设位置平放在钎料上，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-碳/碳复合材料与铌的复合结构。
表2铼-碳/碳复合材料与铌连接接头性能测试结果
Figure BDA0002153077900000081
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 (8)

1.一种铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，采用三元钎料对基体与铌材料进行钎焊，所述三元钎料由Ti、Ni、Nb三种元素单质混合而成，其中，Nb的原子摩尔分数≤30％，所述基体的焊接面包括铼材料和碳/碳复合材料；所述三元钎料由以下原子摩尔分数的元素组成：
Ti25-45％、Ni25-45％、Nb10-30％；
焊接时，将所述铌材料平放，并在所述铌材料上表面铺放一层钎料，然后将所述基体的焊接面朝下平放在所述钎料上，加热，进行真空钎焊或氢气保护钎焊；
当钎料为箔片状时，所述在所述铌材料上表面铺放一层钎料，然后将所述基体的焊接面朝下平放在所述钎料上，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铌材料上，然后将所述基体平放在所述钎料上，铺放时确保所述基体焊接面上的铼材料与Ti层相贴。
2.根据权利要求1所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，所述单质的形态为粉末或箔片。
3.根据权利要求2所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，所述粉末粒度为300-500目；所述箔片厚度为100-150μm。
4.根据权利要求1所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，钎焊温度为1050-1300℃，保温时间5-40min。
5.根据权利要求1所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，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。
6.根据权利要求1所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，当钎料为粉末状时，所述在所述铌材料上表面铺放一层钎料，包括：
先将钎料混合均匀，然后在所述铌材料上表面铺放一层0.3-0.5mm厚的钎料。
7.根据权利要求6所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，其特征在于，所述待铺放钎料厚度为0.3-0.5mm。
8.根据权利要求7所述的铼-碳/碳复合材料与铌的钎焊连接方法，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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