CN110653442A - 一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,本发明涉及钛合金与陶瓷连接领域,它要解决现有的陶瓷与钛合金空气反应钎焊连接中钛合金氧化严重的问题。钎焊方法:一、铝粉与粘结剂混合配置成铝浆,真空扩散,得到表面渗铝的金属待焊件;二、Ag‑CuO钎料压成钎料片;三、组装待焊件;四、在钎焊温度为970~1100℃,保温时间为5~60min的条件下进行空气反应钎焊连接,完成钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。本发明利用表面渗铝的方法在待焊金属表面制备出一层抗氧化涂层,该涂层与金属基体之间具有很强的结合力,在空气反应钎焊的过程中,该涂层一方面可以抑制金属的氧化,另一方面可以与钎料结合形成良好的界面。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金与陶瓷连接领域,具体涉及一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
背景技术
钛及钛合金因具强度高、耐蚀性好、耐热性高等突出优点而被称作“太空金属”或“海洋金属”,在航空、航天、舰艇、兵器、医疗等领域中获得越来越多的应用。陶瓷材料因具有高熔点、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能及抗辐射、耐高频高压绝缘等电气性能而日益受到重视。越来越多的结构需要钛合金与陶瓷的联合使用,因此在实际应用过程中需要通过连接的方法制成陶瓷/钛合金的复合构件。
目前业内连接陶瓷与钛合金最常用的方法是真空钎焊连接,但是该方法存在一个严重的弊端——接头不抗氧化,无法在高温氧化氛围中长时间服役。而空气反应钎焊使用贵金属-氧化物钎料体系在空气氛围中对金属/陶瓷进行连接,接头具有良好的抗氧化性能。但是绝大多数钛合金无法承受空气反应钎焊1000℃左右的连接温度,会产生严重的氧化现象导致接头失效。因此需要开发一种新型的方法来抑制空气反应钎焊过程中钛合金的氧化现象。
发明内容
本发明要解决现有的陶瓷与钛合金空气反应钎焊连接中钛合金氧化严重的问题,而提供一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
本发明钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法按照以下步骤实现:
一、将铝粉与粘结剂混合配置成(均匀、粘稠的)铝浆,铝浆均匀涂覆在待焊金属表面,自然晾干,将晾干后的待焊金属置于真空炉中进行扩散,在600~800℃下保温处理,取出后刮去待焊面上的黑色物质,超声清洗处理后得到表面渗铝的金属待焊件;
二、配置CuO摩尔分数为2~20mol.%的Ag-CuO钎料,Ag-CuO钎料压成钎料片,对待焊陶瓷的待焊面进行打磨,经过超声清洗处理,得到去除表面杂质的陶瓷待焊件;
三、将表面渗铝的待焊金属、Ag-CuO钎料片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放,组装固定后得到待焊件;
四、将步骤三得到的待焊件置于马弗炉中,在钎焊温度为970~1100℃,保温时间为5~60min的条件下进行空气反应钎焊连接,冷却至室温,即完成钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
本发明提出一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,利用表面渗铝的方法在待焊金属表面制备出一层抗氧化涂层,该涂层与金属基体之间具有很强的结合力,在空气反应钎焊的过程中,该涂层一方面可以抑制金属的氧化,另一方面可以与钎料结合形成良好的界面,从而得到力学性能良好、抗氧化性能优异的金属/陶瓷接头。
本发明所述的钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法主要包含以下有益效果:
1、本发明操作简单有效,采用表面渗铝的方法在待焊金属表面制备出了一层抗氧化涂层,大大提高了金属的抗氧化性能,抑制了空气反应钎焊过程中金属的氧化现象。
2、得到了力学性能良好、抗氧化性能优异的金属/陶瓷接头。
3、拓宽了金属的服役的温度范围,大大提高了金属/陶瓷接头的服役温度。
附图说明
图1为实施例一得到的渗铝TC4钛合金与ZTA陶瓷空气反应钎焊接头微观组织背散射图;
图2为实施例一得到的渗铝TC4钛合金与ZTA陶瓷空气反应钎焊接头在800℃下氧化140h后的微观组织背散射图;
图3为实施例二得到的渗铝TC4钛合金与ZTA陶瓷空气反应钎焊接头的微观组织背散射图;
图4为实施例二得到的渗铝TC4钛合金与ZTA陶瓷空气反应钎焊接头在800℃下氧化140h后的微观组织背散射图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法按照以下步骤实施:
一、将铝粉与粘结剂混合配置成(均匀、粘稠的)铝浆,铝浆均匀涂覆在待焊金属表面,自然晾干,将晾干后的待焊金属置于真空炉中进行扩散,在600~800℃下保温处理,取出后刮去待焊面上的黑色物质,超声清洗处理后得到表面渗铝的金属待焊件;
二、将Ag-CuO钎料压成钎料片,对待焊陶瓷的待焊面进行打磨,经过超声清洗处理,得到去除表面杂质的陶瓷待焊件;
三、将表面渗铝的待焊金属、Ag-CuO钎料片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放,组装固定后得到待焊件;
四、将步骤三得到的待焊件置于马弗炉中,在钎焊温度为970~1100℃,保温时间为5~60min的条件下进行空气反应钎焊连接,冷却至室温,即完成钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
本实施方式采用表面渗铝的方法在待焊金属表面制备出一层抗氧化涂层,该涂层与金属基体之间具有很强的结合力,在空气反应钎焊的过程中,该涂层一方面可以抑制金属的氧化,另一方面可以与钎料结合生成良好的界面,从而得到力学性能良好、抗氧化性能优异的金属/陶瓷接头。
本实施方式操作简单有效,采用表面渗铝的方法在待焊金属表面制备出一层抗氧化涂层,并将其应用到陶瓷与金属的钎焊中。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的粘结剂是将乙基纤维素与松油醇按照质量比5~10:90~95的比例配置而成。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中所述铝粉的粒径为5~20μm。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中铝粉与粘结剂的质量比为1:1。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中控制铝浆涂覆在待焊金属表面的涂覆量为4~5mg/cm2。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中真空炉的真空度为2~8×10-3Pa,在700℃下保温10~40min。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤一中所述的待焊金属为TA、TB、TC系列钛基合金、TiAl基合金、Ti3Al基合金或者Ti2AlNb基合金。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中所述的待焊陶瓷为ZrO2陶瓷、Al2O3陶瓷、ZTA陶瓷或SiO2f/SiO2陶瓷。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤二中所述的Ag-CuO钎料中CuO的摩尔分数为2~20mol.%。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中依次采用600#、1000#的金刚石砂轮对待焊陶瓷的待焊面进行打磨。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤四中控制钎焊连接过程中升、降温速度均为10℃/min。
实施例一:本实施例钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法按照以下步骤实施:
一、将乙基纤维素与松油醇按照质量比5:95的比例配置成粘结剂,将粒径为5μm的铝粉与粘结剂按照质量比为1:1的比例配置成均匀、粘稠的铝浆,将铝浆均匀涂覆在待焊金属表面,涂覆量为5mg/cm2,自然晾干,晾干后的金属置于真空炉中进行扩散,在700℃下保温20min,取出后使用钢丝刷去除待焊金属表面的黑色物质,最后使用无水乙醇超声处理10min,得到表面渗铝的金属待焊试件;
二、配置CuO摩尔分数为2mol.%的Ag-CuO钎料,压成钎料片,将待焊陶瓷依次用600#、1000#的金刚石砂轮打磨,然后用无水乙醇超声预处理10min,得到去除表面杂质的陶瓷待焊试件;
三、将表面渗铝的待焊金属、Ag-CuO钎料片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放,用氧化铝压块固定后得到待焊件;
四、将步骤三得到的待焊件置于马弗炉中,在钎焊温度为970℃,保温时间为15min的条件下进行钎焊连接,升、降温速度均为10℃/min,将焊件冷却至室温,即完成钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
在电子万能试验机进行剪切测试,加载速度为0.5mm/min,本实施例中采用钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法所得接头的室温抗剪强度为41.6MPa。将得到的ZTA/TC4接头在800℃下氧化140h后,接头的抗剪强度与界面组织均无明显变化。
实施例二:本实施例钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法按照以下步骤实施:
一、将乙基纤维素与松油醇按照质量比5:95的比例配置成粘结剂,将粒径为5μm的铝粉与粘结剂按照质量比为1:1的比例配置成均匀、粘稠的铝浆,将铝浆均匀涂覆在待焊金属表面,涂覆量为4mg/cm2,自然晾干,将晾干后的金属置于真空炉中进行扩散,在700℃下保温20min,取出后使用钢丝刷去除待焊金属表面的黑色物质,最后使用无水乙醇超声处理10min,得到表面渗铝的金属待焊试件;
二、配置CuO摩尔分数为2mol.%的Ag-CuO钎料,压成钎料片,将待焊陶瓷依次用600#、1000#的金刚石砂轮打磨,然后用无水乙醇超声预处理10min,得到去除表面杂质的陶瓷待焊试件;
三、将表面渗铝的待焊金属、Ag-CuO钎料片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放,用氧化铝压块固定后得到待焊件;
四、将步骤三得到的待焊件置于马弗炉中,在钎焊温度为1000℃,保温时间为15min的条件下进行钎焊连接,控制升、降温速度均为10℃/min,将焊件冷却至室温,即完成钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
在电子万能试验机进行剪切测试,加载速度为0.5mm/min,本实施例中采用钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法所得接头的室温抗剪强度为56.8MPa。将得到的ZTA/TC4接头在800℃下氧化140h后,接头的抗剪强度与界面组织均无明显变化。
Claims (10)
1.一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于该方法按以下步骤实现:
一、将铝粉与粘结剂混合配置成铝浆,铝浆均匀涂覆在待焊金属表面,自然晾干,将晾干后的待焊金属置于真空炉中进行扩散,在600~800℃下保温处理,取出后刮去待焊面上的黑色物质,超声清洗处理后得到表面渗铝的金属待焊件;
二、配置CuO摩尔分数为2~20mol.%的Ag-CuO钎料,Ag-CuO钎料压成钎料片,对待焊陶瓷的待焊面进行打磨,经过超声清洗处理,得到去除表面杂质的陶瓷待焊件;
三、将表面渗铝的待焊金属、Ag-CuO钎料片及去除表面杂质的陶瓷依次叠放,组装固定后得到待焊件;
四、将步骤三得到的待焊件置于马弗炉中,在钎焊温度为970~1100℃,保温时间为5~60min的条件下进行空气反应钎焊连接,冷却至室温,即完成钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤一中所述的粘结剂是将乙基纤维素与松油醇按照质量比5~10:90~95的比例配置而成。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤一中所述铝粉的粒径为5~20μm。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤一中铝粉与粘结剂的质量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤一中控制铝浆涂覆在待焊金属表面的涂覆量为4~5mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤一中真空炉的真空度为2~8×10-3Pa,在700℃下保温10~40min。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤一中所述的待焊金属为TA、TB、TC系列钛基合金、TiAl基合金、Ti3Al基合金或者Ti2AlNb基合金。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤二中所述的待焊陶瓷为ZrO2陶瓷、Al2O3陶瓷、ZTA陶瓷或SiO2f/SiO2陶瓷。
9.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤二中所述的Ag-CuO钎料中CuO的摩尔分数为2~20mol.%。
10.根据权利要求1所述的一种钛合金表面渗铝辅助空气反应钎焊的方法,其特征在于步骤四中控制钎焊连接过程中升、降温速度均为10℃/min。
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