CN111438464B - Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料及钎焊连接工艺 - Google Patents

Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料及钎焊连接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种用于Nb‑Si基超高温结构材料的Ti‑Ni‑Nb‑Zr‑Hf钎焊料及钎焊连接工艺。目前缺少用于Nb‑Si基超高温结构材料连接的专用钎焊料，能够减少接头中脆性相的含量，得到具有较高强度的钎焊连接接头。本发明的Nb‑Si基超高温结构材料的Ti‑Ni‑Nb‑Zr‑Hf钎焊料，化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。该钎焊料的铺展性能好，能在Nb‑Si基表面良好润湿及铺展，且具有较好的塑性，能够加工成不同的钎焊料形式，有利于焊前钎焊料的添加与装配。

Description

Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料及钎焊连 接工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料及钎焊连接工艺。
技术背景
先进航空发动机的涡轮前温度更高，这就要求叶片材料具有更高的承温能力。目前，即使是最先进的叶片材料——第五代镍基单晶高温合金的承温能力仍不超过1150℃，且已达到其熔点的80％以上，接近其极限使用温度，难以满足未来高性能发动机的使用要求。
Nb-Si基超高温结构材料主要由Nb的固溶体(NbSS)和金属间化合物Nb5Si3两相组成，其中NbSS具有良好的室温韧性，金属间化合物相Nb5Si3展现出优异的高温强度，其单胞点阵常数较大、不易发生位错蠕变，具有良好的抗蠕变性能，并在1600～1800℃下热力学稳定。具有韧/脆两相组织的Nb-Si基超高温结构材料由NbSS提供材料的室温塑韧性，Nb5Si3提供高温强度，在保证优异高温强度的同时，具有一定的室温塑性，有望成为下一代先进航空发动机叶片材料。一般认为，其服役温度可以高达1200～1400℃。
Nb-Si基超高温结构材料具有高熔点、高刚度、低密度以及优异的高温强度，有很大潜力替代现有Ni基高温合金并应用于航空航天领域。为实现其工程应用，焊接/连接是不可缺少的关键制造技术之一。目前关于这种材料连接的相关文献报道极少。采用传统Ni基钎焊料BNi-2(Ni-7Cr-5Si-3B-3Fe，质量百分数)、BNi-5(Ni-19Cr-10Si,质量百分数)等能实现Nb-Si基超高温结构材料的连接，但钎焊料中过高的Ni含量使得接头中生成大量Ni-Nb、Ni-B脆性金属间化合物相，导致接头中产生微裂纹、未焊合等缺陷，接头强度低。
因此，缺少用于Nb-Si基超高温结构材料连接的专用钎焊料，能够减少接头中脆性相的含量，得到具有较高强度的钎焊连接接头。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术缺陷而专门设计了一种Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料及钎焊连接工艺，实现了Nb-Si基超高温结构材料的有效钎焊连接，获得优异室温及高温强度的钎焊接头。
本发明目的是通过以下技术方案来实现的：
一种Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～14.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：14.0～16.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：15.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：13.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：14.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
一种Nb-Si基超高温结构材料的钎焊连接工艺，采用了上述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，并包括以下步骤：
步骤一、对待钎焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料表面进行清洗，并进行装配，二者的配合间隙为0.02～0.09mm；
步骤二、将钎焊料固定于待焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料的配合角处或置于二者之间并确保贴合紧密；
步骤三、在焊缝的顶部和底部均匀涂上氧化铝阻流剂，然后将待焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料以及钎焊料的组合体放在真空加热炉内准备钎焊；
步骤四、调整炉内真空度优于8×10-3Pa时，开始升温，升温速度不大于15℃/min，钎焊连接温度为1250～1290℃，保温时间为50～100min，保温结束后随炉冷却。
可选地，钎焊料的形式是块状、带材、丝材或合金粉末。
可选地，采用对接或插接的方法对第一、第二Nb-Si基超高温结构材料进行装配组合。
可选地，钎焊连接温度为1270℃。
本发明技术方案的优点及有益的效果在于：
1、本发明钎焊料的铺展性能好，能在Nb-Si基合金表面良好润湿及铺展，且具有较好的塑性，能够加工成不同的钎焊料形式，如块状、带材、丝材或合金粉末，有利于焊前钎焊料的添加与装配；
2、本发明中为降低钎焊料熔点，添加了一定含量的元素Ni，但是钎焊料中的Ni元素的含量控制在质量百分数不高于16％，可降低接头中Ni-Nb、Ni-Ti脆性化合物相的生成倾向及含量；钎焊料中其余元素Nb、Ti为Nb-Si合金母材的组成元素，元素Zr、Hf与Nb完全互溶，使得钎焊料与被焊Nb-Si母材相容性良好，提高接头性能；
3、本发明钎料结合相关的二元合金相图理论计算和反复试验优化，获得了具有合理Ti-Ni-Nb-Zr-Hf组分配比的钎料成分，熔化温度区间为1189～1216℃，可以在1220～1300℃钎焊温度范围内进行连接，推荐的钎焊连接温度为1250～1290℃，低于Nb-Si基母材的热处理温度(1450～1500℃)，对母材性能无损伤；而且，在钎焊连接温度为1250～1290℃条件下，以及被焊材料配合间隙为0.02～0.09mm时，焊缝能够实现一次焊成无需补焊，而且可以保证钎焊缝内部无溶蚀、未熔合、微裂纹等缺陷；
4、本发明钎料及工艺条件下所得接头具有较高的性能，通过钎料与母材的相互扩散，得到的接头组织与母材接近，主要由(Nb,Ti)固溶体相、Nb5Si3相组成，而且钎料中的Ti、Zr、Hf、Ni元素固溶到(Nb,Ti)SS和(Nb,Ti,Zr)5Si3相中，连接接头中既不存在熔化温度仅在1189～1216℃的残余钎料，也不存在Ni-Nb、Ni-Ti等脆性金属间化合物相。而采用Ni基钎料时，其较高的Si、B等元素导致接头中生成大量Nb-Ni、Ni-Si、Ni-B等脆性的金属间化合物相，导致接头强度较低，甚至接头中出现微裂纹。采用本发明钎焊料获得的连接接头室温弯曲强度达356～378MPa，达到母材室温弯曲强度(555MPa)的64～68％，与Ni基钎料接头相比高出45～50％。由于钎焊接头中主要物相(Nb,Ti)SS和(Nb,Ti,Zr)5Si3相的熔化温度高达2000℃以上，使得连接接头具有满意的高温强度，在1200℃接头高温弯曲强度达154～171MPa，达到母材1200℃高温弯曲强度(285MPa)的54～60％，连接接头的性能超过其它已有的常规钎焊料；
5、本发明钎焊料绿色环保、不含有毒元素，不含Ag、Au、Pd、Pt等贵金属元素。
附图说明
图1为对接接头实施例的焊接结构示意图；
图2为插接接头实施例的焊接结构示意图。
图中：1为第一待钎焊的Nb-Si基超高温结构材料，2为第二待焊的Nb-Si基超高温结构材料，3为钎焊料。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详述：
对于对接的钎焊位置参见图1，对于插接的钎焊位置参见图2，图中，将钎焊料3固定于待焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料1、2的配合角处或置于二者之间并确保贴合紧密。
表1给出了本发明用于Nb-Si基超高温结构的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料在各实施例中的成分及重量百分比组成，其中共列举了20种Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料的实施例。
表1 本发明各实施例中钎焊料的成分及重量百分比
Figure BDA0002486119330000051
Figure BDA0002486119330000061
采用表1所示的实施例1～20的成分钎焊料，分别以块状、带材、丝材或合金粉末使用，在1250～1290℃的钎焊温度和50～100min的保温时间下，对以下11种成分(均为原子比)的Nb-Si基超高温结构材料进行了钎焊连接:
(1)Nb-17Si-23Ti；
(2)Nb-18Si-24Ti-2Cr-2Al-2Hf；
(3)Nb-16Si-22Ti-3Cr-2Al-2Hf；
(4)NB-17Si-20Ti-8Zr-2Al-2Hf；
(5)Nb-18Si-20Ti-12Zr-3Mo-2Al；
(6)Nb-26Si-22Ti-6Cr-3Al-2Hf；
(7)Nb-16Si-22Ti-3Cr-3Al-2Hf；
(8)Nb-12Si-24Ti-4Cr-4Al-2Hf；
(9)Nb-20Si-24Ti-2Cr-2Al；
(10)Nb-16Si-10Ti-10Zr-3Cr-3Al-2Hf；
(11)Nb-16Si-20Ti-4V-3Cr-3Al-2Hf。
各实施例的连接效果验证：通过钎料与母材的相互扩散，得到的接头组织与母材接近，主要由(Nb,Ti)固溶体相、Nb5Si3相组成，而且钎料中的Ti、Zr、Hf、Ni元素固溶到(Nb,Ti)SS和(Nb,Ti,Zr)5Si3相中，连接接头中既不存在熔化温度仅在1189～1216℃的残余钎料，也不存在Ni-Nb、Ni-Ti等脆性金属间化合物相。采用本发明钎焊料获得的连接接头室温弯曲强度达356～378MPa，达到母材室温弯曲强度(555MPa)的64～68％，与Ni基钎料接头相比高出45～50％。由于钎焊接头中主要物相(Nb,Ti)SS和(Nb,Ti,Zr)5Si3相的熔化温度高达2000℃以上，使得连接接头具有满意的高温强度，在1200℃接头高温弯曲强度达154～171MPa，达到母材1200℃高温弯曲强度(285MPa)的54～60％，连接接头的性能超过其它已有的常规钎焊料。
另需说明的是，凡本发明中所描述的具体实施例，其钎焊料配方、工艺所用名称、被焊材料的名称和具体成分等可以不同。凡基于本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，其特征在于：该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，其特征在于：该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～14.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，其特征在于：该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：14.0～16.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
4.根据权利要求1所述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，其特征在于：该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：15.0，Nb：11.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
5.根据权利要求1所述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，其特征在于：该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：13.0～16.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
6.根据权利要求1所述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，其特征在于：该钎焊料的化学成分及重量百分比为：Ni：11.0～16.0，Nb：14.0，Zr：26.0～33.0，Hf：5.0～7.0，余量为Ti。
7.一种Nb-Si基超高温结构材料的钎焊连接工艺，其特征在于：采用了如权利要求1-6中任一项所述的Ti-Ni-Nb-Zr-Hf钎焊料，并包括以下步骤：
步骤一、对待钎焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料(1、2)表面进行清洗，并进行装配，二者的配合间隙为0.02～0.09mm；
步骤二、将钎焊料(3)固定于待焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料(1、2)的配合角处或置于二者之间并确保贴合紧密；
步骤三、在焊缝的顶部和底部均匀涂上氧化铝阻流剂，然后将待焊的第一、第二Nb-Si基超高温结构材料(1、2)以及钎焊料(3)的组合体放在真空加热炉内准备钎焊；
步骤四、调整炉内真空度优于8×10-3Pa时，开始升温，升温速度不大于15℃/min，钎焊连接温度为1250～1290℃，保温时间为50～100min，保温结束后随炉冷却。
8.根据权利要求7所述的Nb-Si基超高温结构材料的钎焊连接工艺，其特征在于：钎焊料(3)的形式是块状、带材、丝材或合金粉末。
9.根据权利要求7所述的Nb-Si基超高温结构材料的钎焊连接工艺，其特征在于：采用对接或插接的方法对第一、第二Nb-Si基超高温结构材料(1、2)进行装配组合。
10.根据权利要求7所述的Nb-Si基超高温结构材料的钎焊连接工艺，其特征在于：钎焊连接温度为1270℃。
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