CN110893523B - 一种高强度铜基非晶钎料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度铜基非晶钎料。该钎料配方包括如下组分：3.5wt%‑6wt%Ti；40wt%‑45wt%Cu；45wt%‑51wt%Zr；2wt%‑2.5wt%Nb以及0.3wt%‑2wt%Be和0.3wt%‑1wt%Dy；采用熔炼和甩带的方法，制备出厚度约50um，宽度约为10mm的非晶钎料薄带。利用所述成分获得的条带在较宽的过冷液相区范围内具有超塑性变形能力，能够使得中间层与母材的接触面积大大提高；利用本发明提供的钎料，所获得的焊接接头强度可以超过300Mpa。

Description

一种高强度铜基非晶钎料
技术领域
本发明涉及一种铜基非晶钎料，用来解决同种金属或者异种金属连接问题，属于工程材料领域。
背景技术
国内这些年高温合金的发展势头比较迅猛，而对高温合金的焊接技术也是这些年冶金工业技术的一个难题，而高温合金的焊接性是指在某一焊接工艺条件下，对合金产生裂纹的敏感性、焊后接头组织的均匀性、焊接接头力学性能和采取工艺措施的可行性的综合评价。
高温合金焊接的热裂纹敏感性、接头组织的不均匀性以及焊接接头的等强性都是决定高温合金焊接性的关键因素。此外，选择合理的焊接工艺也是评价高温合金焊接性的重要依据。焊缝熔体凝固会引起元素偏析，降低氧化和抗腐蚀能力，使性能恶化。所以采用合理的焊接工艺和优良的焊材对提高高温焊缝接头强度至关重要。如采用摩擦焊焊接高温合金，焊接接头强度系数几乎为100％。若采用异质焊丝，接头强度降低更大。焊接接头强度系数是由于焊缝组织的不均匀性造成的，热影响区晶粒组织长大，强化相g′相的溶解，容易形成弱化区，所以在弱化区会首先出现塑性变形，最终导致断裂失效。因此高温合金焊接接头的强度和塑性均有明显的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜基非晶钎料，所述的钎料具有良好的韧性，能够作为异种金属连接时的中间层，提高接头的抗拉强度。
实现本发明目的的技术方案是：一种铜基非晶钎料，所述钎料包括如下组分：3.5wt％-6wt％Ti、40wt％-45wt％Cu、45wt％-51wt％Zr、2wt％-2.5wt％Nb以及0.3wt％-2wt％Be和0.3-1wt％Dy。
进一步的，所述非晶钎料的熔点在750℃。
上述的钎料的制备方法，其步骤如下：将Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy原材料在电弧熔炼炉中熔炼成一个金属锭子，利用甩带法将合金锭子在石英管中重新加热至熔融状态，再在气压差的作用下，将熔融液体喷射到一个快速转动的铜轮上获得所述条带。
进一步的，Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy原材料的纯度在99.95％以上。
进一步的，感应熔炼的真空度在10-3Pa以上，且至少熔炼3-4遍确保组织均匀，没有偏析。
进一步的，甩带采用感应加热的方式，所用的石英管的缝隙长10mm，宽0.5mm，采用的感应电流为15-24A。
进一步的，气压差(真空腔体内和储气罐的气压差)不低于0.05Mpa。
进一步的，甩带采用的工艺参数如下：保护气体为氩气，气体压强控制在0.5-0.8MPa；喷射距离控制在3-5mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)所述方法获得的条带具有相对较低的熔点，良好的韧性，较大的过冷液相区。
(2)所述方法获得的条带在较宽的过冷液相区范围内具有超塑性变形能力，能够使得中间层与母材的接触面积大大提高。
(3)利用所述成分制备出的钎料，通过液相钎焊实现冶金结合，特别适用于钛合金与镍基、铁基高温合金，不锈钢和铜合金、碳钢或镍基、铁基高温合金的的钎焊连接。
(4)利用本发明提供的钎料，所获得的焊接接头强度可以超过300Mpa。
具体实施方式
为进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的配方材料，以及在制备条带方法与应用上进行详细的描述。
本发明的目的是提供了一种应用于异种金属钎焊中的钎料配方，包括：3.5wt％-6wt％Ti；40wt％-45wt％Cu；45wt％-51wt％Zr；2wt％-2.5wt％Nb以及0.3wt％-2wt％Be和0.3wt％-1wt％Dy。
本发明中提供的配方材料包括Ti、Zr，所述的Ti、Zr具有耐磨、耐高温且与高温合金互溶等优点。发明中Ti、Zr的含量分别优选为4wt％-6wt％、49wt％-51wt％；
本发明提供的配方材料包括Cu、Nb，所述的Cu、Nb，根据井上明久的经典三原则，有助于提高非晶形成能力，其含量在41wt％-42.5wt％，2wt％-2.5wt％；
本发明提供的配方材料包括Be和Dy，所述的Be和Dy能够增大合金体系的原子半径差，从而增强该体系的非晶形成能力，其含量为0.3wt％-1.5wt％和0.3wt％-1wt％；
本发明将Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy通过电弧熔炼后，通过甩带法制备出一种非晶条带。同时在配料时，所述的Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy纯度都大于99.95％。
本发明提供的Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy配方材料制备出的非晶条带具有相对较低的熔点，在室温环境下有着良好的韧性和强度，条带在较宽的一个过冷液相区内具有这超塑性变形能力，这对中间层与母材的机械接触阶段有着良好的促进作用。
本发明提供条带的制备方法，包括：将Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy原材料在电弧熔炼炉中熔炼成一个金属锭子，采用快速冷却技术，利用甩带法将合金锭子在石英管中感应加热至熔融状态，再在气压差的作用下，将熔融液体喷射到一个快速转动的铜轮上获得所述条带。甩带采用感应加热的方式，所用的试管的缝隙长10mm，宽0.5mm，所用感应电流为15-24A，内外气压差不低于0.05Mpa，甩带法采用的工艺参数如下：保护气体为氩气，气体压强控制在0.5-0.8MPa；喷射距离控制在3-5mm。采用熔炼和甩带的方法，制备出厚度约50um，宽度约为10mm的非晶条带。
通过真空熔炼及甩带技术，钎料被制成薄带状。钎焊时将得到的薄带放在待焊异种金属中间，将装配好的样品放在真空热压炉中，在10-3Pa的真空度下将温度以10℃/min升高到钎料熔点以上30℃-50℃，并保温5min-10min。
为进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的配方材料，以及在制备条带方法与应用上进行详细的描述。
实施例1：
将纯度在99.95％以上的Cu、Zr、Ti、Nb、Be、Dy原材料按照3.5wt％Ti；43wt％Cu；48wt％Zr；2.5wt％Nb以及2wt％Be和1wt％Dy的比例，通过电弧熔炼的方式将原材料熔炼成一块金属锭子，为确保组织均匀，熔炼次数要不低于3-4次。将得到的锭子放在石英管中通过感应加热的方式再将之加热到熔融状态，利用内外气压差将液态金属喷射到快速转动的铜轮上，最终得到非晶条带。熔炼以及甩带过程中的真空度都不低于10-3Pa，保护气体为氩气，甩带时的内外气压差为0.5Mpa。
得到的条带宽度为10mm，厚度为40um，将得到的条带放在Ti-6Al-4V合金和304不锈钢中间，放在真空热压炉中，在10-3Pa的真空度下将温度以10℃/min升高到790℃，并保温10min。所得到的接头抗拉强度为309MPa。
其他实施例设计如表1所示，效果如表2和表3所示。
表1
Figure BDA0001798202130000031
Figure BDA0001798202130000041
表2
Figure BDA0001798202130000042
Figure BDA0001798202130000051
对于钛合金与Ni基高温合金和铁基高温合金的钎焊连接，42wt％Cu、50wt％Zr、4.5wt％Ti、2.5wt％Nb、0.5wt％Be、0.5wt％Dy该成分的效果比较稳定，使用该成分分别钎焊钛合金和304不锈钢、304不锈钢和304不锈钢、304不锈钢和SPCC碳钢，表现出了良好的焊接性能，结果如下：
表3
实施例 焊接材料 接头抗拉强度(MPa)
12 Ti-6Al-4V和304不锈钢 315
13 304不锈钢和304不锈钢 318
14 304不锈钢和SPCC碳钢 324
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的工艺和成分，而得到的其它成分设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种高强度铜基非晶钎料，其特征在于，包括如下组分：3.5wt%-6wt%Ti、40wt%-45wt%Cu、45wt%-51wt%Zr、2wt%-2.5wt%Nb以及0.3wt%-2wt%Be和0.3wt%-1wt%Dy。
2.如权利要求1所述的非晶钎料，其特征在于，Cu含量为40wt%-42.5wt%。
3.如权利要求1所述的非晶钎料，其特征在于，Zr含量为49wt%-51wt%。
4.如权利要求1所述的非晶钎料，其特征在于，Ti含量为4wt%-6wt%。
5.如权利要求1所述的非晶钎料，其特征在于，Be含量为0.3wt%-1.5wt%。
6.如权利要求1-5任一所述的非晶钎料，其特征在于，所述钎料的熔点为750℃。
7.权利要求1-5任一所述的非晶钎料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：将Cu、Zr、Ti、Be、Nb、Dy原材料在电弧熔炼炉中熔炼成母合金锭子，用甩带法将合金锭子在石英管中感应加热至熔融状态，同时在气压差的作用下，将熔融液体喷射到快速转动的铜轮上获得条带。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，Cu、Zr、Ti、Be、Nb、Dy原材料的纯度在99.95%以上。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，感应熔炼的真空度在10-3Pa以上，且至少熔炼3-4遍确保组织均匀，没有偏析。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，甩带法采用感应加热的方式。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，石英管的缝隙长10mm，宽0.5mm，所用感应电流为15-24A，气压差不低于0.05Mpa。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，甩带法制备所述条带的工艺参数如下：保护气体为氩气；气体压强控制在0.5-0.8MPa；喷射距离控制在3-5mm。
13.如权利要求1-5任一所述的非晶钎料的应用，其特征在于，所述钎料用于连接TiAl合金与Ni基高温合金和铁基高温合金。
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