CN111633356B

CN111633356B - 适用于tc4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料及其制备方法和钎焊方法

Info

Publication number: CN111633356B
Application number: CN202010526310.2A
Authority: CN
Inventors: 雷鹍; 刘新芹; 殷智星; 吕昕宇; 靳舜尧; 郭青苗; 谢秀民; 李波
Original assignee: Beijing Puhui Sanhang Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Puhui Sanhang Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: CN111633356A

Abstract

本发明公开了一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎料及其制备方法和钎焊方法，钎料包括以下重量百分比的化学成分：Ni：12%～15%；Cu：15%～18%；Zr：9%～12%，Be：≤0.5%，余量为Ti。钎料的制备方法为：备料；真空冶炼；压力甩带。利用上述钎料的钎焊方法为：零件焊前处理；钎焊：钎焊温度为910℃～930℃，保温时间0.5h～1h，钎焊后进行冷却。本发明提供的钎料兼顾熔点和扩散能力，提高钎焊接头的强度，尤其是钎焊接头界面的剪切强度，以有效保证钎焊界面的可靠连接；另外兼顾钎料的润湿性，满足钎料钎焊蜂窝薄壁结构时爬升高度的问题，可满足目前25mm高的蜂窝结构的钎焊需求。

Description

适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料及其制备方法和钎焊方法

技术领域

本发明涉及钎焊技术领域，更具体地说，它涉及一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料及其制备方法和钎焊方法。

背景技术

随着航空航天飞行器飞行速度的不断提高以及整体结构轻量化的迫切需要，对于航空航天飞行器的结构材料性能提出了更高的要求，高性能、高承载、高严酷服役环境下的壁板、弹翼、舵翼、尾翼等产品逐步由原来的铝合金更换为高性能的钛合金。零件的成形方式也由原来的铆接、粘接、氩弧焊焊接改为超塑成形/扩散连接、钎焊、电子束焊接等。

钎焊技术，是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法，尤其是钛合金的高温钎焊技术作为现代化的制造手段，在蜂窝壁板结构、多焊道中空冷却结构上具有绝对的技术优势。钎焊材料(以下简称钎料)是钎焊过程的重要材料，目前，钛合金的钎料大致可分为五类：Ag基、Al基、Pd基、Ti基和Ti～Zr基钎料。Ag基和Al基钎料的钎焊界面的抗腐蚀性能较差；Pd基钎料使用温度在1000℃以上，高于钛合金的相变温度导致钛合金性能降低；Ti基和Ti～Zr基钎料的使用温度(在830℃～940℃范围)适中，并可获得组织类型与钛合金接近的钎焊界面，因此，目前广泛采用Ti基和Ti～Zr基钎料作为钛合金钎焊时的钎料。但是在钎焊钛合金薄壁蜂窝结构的零件时，钎焊温度较高，钎焊时间长，导致钎焊时扩散区过大，蜂窝壁板被溶蚀，导致钎焊界面的性能，尤其是钎焊界面的剪切性能大大降低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料，其优点是兼顾钎料的熔点和扩散能力，避免长时间钎焊保温过程中蜂窝箔材过度溶蚀，从而提高钎焊接头的强度，尤其是钎焊接头界面的剪切强度，以有效保证钎焊界面的可靠连接；另外兼顾钎料的润湿性，适当增加了元素Be，满足钎料钎焊蜂窝薄壁结构时爬升高度的问题，可满足目前25mm高的蜂窝结构的钎焊需求。

本发明的第二个目的在于提供一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料制备方法，其优点是工艺简单，易于实现工业化生产。

本发明的第三个目的在于提供一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的钎焊方法，其具有可满足目前25mm高的蜂窝结构的钎焊需求的优点。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案，一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料，包括以下重量百分比的化学成分：Ni：12％～15％；Cu：15％～18％；Zr：9％～12％；Be：≤0.5％；余量为Ti。

通过采用上述技术方案，本发明体系中Zr元素可以跟Ti、Cu、Ni发生反应，形成降低钎料的熔化温度，同时Zr与Ti互溶，且互溶性好，Zr元素的添加有助于改进钎料和钛合金的相互扩散，降低钎料的钎焊时间，同时，Zr的添加可在钎焊界面形成固溶强化。因此Zr元素作为降低钛合金钎料熔化温度和钎焊时间的重要元素，添加到Ti-Cu-Ni三元合金中，形成了Ti-Zr-Cu-Ni四元系钎料。但是Ni和Cu元素虽然可以降低钎料的熔点，但是过量的成份导致钎料向母材扩散困难，钎焊界面形成大量的钎料组织，钎焊接头的脆性增大，钎焊接头的耐蚀性大大降低；并且也不利于钎料成份向母材的扩散，因此控制Cu和Ni，尤其是Cu元素的含量，使之降低熔点的同时具有较小的脆性，降低对钎焊接头的不利影响。Be元素的添加可以在一定程度上，增加钎料的润湿性，提高蜂窝壁板结构钎焊时钎料的爬升高度，有利于减少钎焊保温时间，减弱箔材的溶蚀，并且不会在界面形成有害物质，降低钎焊接头的脆性，可满足目前25mm高的蜂窝结构的钎焊需求。

本发明中通过对Zr、Cu、Ni和Be元素添加以及含量的控制，尤其是对于Zr含量的控制，钎料的熔点降低至850-890℃，钎焊时间降低至0.5-1h，降低能耗，提高效率，而且可以避免现有技术中因为钎焊时间较长导致的蜂窝薄壁结构钎焊时扩散区过大，蜂窝箔材被熔蚀，接头剪切强度低等问题；可满足目前蜂窝薄壁结构产品对钎焊界面性能的基本要求。

为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：

备料：称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti以及Be原料粉末；

真空冶炼：采用真空感应熔炼的方法进行熔炼得到铸锭，冷却；

钎料制备：将真空冶炼得到的铸锭熔化，熔化温度为950～1200℃，腔体内真空度不低于10^-3Pa，制成非晶箔材钎料。

通过采用上述技术方案，采用上述提供的方法制备得到含有特定含量的Zr元素、Cu元素和Ni以及Be元素的钎料，其熔点降低至850-890℃，且通过Zr元素的控制兼顾与钛合金的相容性，扩散性能好，降低钎焊时间，降低能耗，提高效率，避免蜂窝壁板被熔蚀，提高钎焊性能，且制备工艺简单，易于实现工业化。

本发明进一步设置为：钎料制备步骤中，腔体真空度为3×10^-3～7×10^-3Pa，甩带时氩气压力0.1-0.3MPa，非晶箔带钎料通过甩带设备制成的箔带，箔带厚度为0.02～0.04mm。

通过采用上述技术方案，本发明制得的箔带厚度可以达到0.02mm，将其应用于TC4薄壁蜂窝结构，达到轻量化的效果，符合轻量化要求。

本发明进一步设置为：真空冶炼步骤中，熔炼温度为1900～2000℃，保温时间为0.5～1h，浇铸成铸锭。

本发明进一步设置为：真空冶炼步骤中，冷却方式选用空冷、水冷或风冷中的任意一种。

为实现上述第三个目的，本发明提供了如下技术方案：一种使用上述制备得到适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的钎焊方法，包括以下步骤：前处理：将待焊零件依次进行表面清洁、钎料铺设、零件装配后得到两个待焊零件；

钎焊：将装配好的两个待焊零件进行钎焊，钎焊温度为910℃～930℃，保温时间0.5h～1h，真空度需要达到4×10^-3Pa以上，钎焊后进行冷却。

通过采用上述技术方案，本发明中针对特有体系的钎料，通过对钎焊温度、钎焊时间的控制提高钎焊质量，减小钎焊接头处脆性金属间化合物的形成和分布，提高钎焊接头的剪切强度。

本发明进一步设置为：前处理的具体操作包括以下步骤：

清洁：清洁待焊零件表面；

钎料铺设：将钎料铺设在待焊零件的待钎焊表面，当钎料的铺设厚度大于一层时，逐层铺设，隔层之间钎料方向相互垂直；

装配：将钎料通过电焊或激光焊的方法定位于待焊零件表面，通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好钎料的待焊零件的待钎焊表面贴合，得到两个待焊零件。

本发明进一步设置为：冷却的具体操作为将钎焊完成后的零件随炉冷却至室温。

本发明进一步设置为：装配步骤中，两个待焊零件的待钎焊面之间的缝隙≤0.1mm。

通过采用上述技术方案，如此设置可以避免钎焊时间过长，界面厚度增加，蜂窝结构被溶蚀。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的钎料体系中通过对Zr元素、Cu元素和Ni以及Be元素的控制，兼顾钎料的熔点和扩散能力，钎料的熔点降低至850-890℃，有利于保证TC4材料钎焊后母材的性能损失不超过10％；于此同时，钎料与TC4钛合金具有良好的润湿性，可满足25mm高的蜂窝结构钎焊时的爬升高度，保证良好的焊合率；此外钎焊与TC4钛合金具有良好的互扩散性，不仅可将钎焊时间降低至0.5-1h，减少焊接保温时间，节能降耗；还可避免钎焊接头大量钎料组织残留，在界面形成可靠牢固的接头组织，钎焊接头的剪切强度可以满足产品的技术指标，可解决现阶段产品研制的技术瓶颈；

2、本发明提供的钎料制备方法简单，易于实现工业化；

3、本发明中针对特有体系的钎料，通过对钎焊温度、钎焊时间的控制提高钎焊质量，减小钎焊接头处脆性金属间化合物的形成和分布，提高钎焊接头强度，在蜂窝等轻量化结构中具有极大的推广价值。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域人员将理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

实施例1

一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：备料：参见表1，钎料的化学成分的重量百分比为：Ni：12％；Cu：15％；Zr：9％，Be：0.5％，余量为Ti，按照上述钎料的化学成分配比，称取所需的海绵钛、海绵锆、工业纯镍、工业纯铜以及铍粉，各原料的纯度不低于99.5％；

真空冶炼：采用真空感应炉对原料进行熔炼，熔炼温度为1900℃，保温时间为0.5h，真空度不低于10^-2Pa，浇铸成铸锭、空冷至室温，反复熔炼3次；

钎料制备：采用非晶箔材甩带设备进行，将熔炼好的合金铸锭放入设备的熔炼坩埚内熔化，熔化温度为950℃，腔体真空度为7×10^-3Pa，甩带时氩气压力0.1MPa，制成非晶箔材钎料。

使用通过采用上述方法制备得到的钎料进行TC4钛合金钎焊的钎焊方法，包括以下步骤：

表面清洁：采用酸洗、机械抛光等本领域常用方法清洁待焊零件表面；

钎料铺设：将钎料铺设在待焊零件的待钎焊表面；

装配：将钎料通过点焊方法定位于待焊零件表面，通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好钎料的待焊零件的待钎焊表面贴合，得到两个待焊零件，两个待焊零件的待钎焊面之间的缝隙为0.05mm；

钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内进行钎焊，钎焊温度为910℃，保温时间1h，真空度为10^-2Pa；

冷却：钎焊完成后的零件随炉冷却，炉温到400℃后充氩气冷却，氩气冷却至70℃以下出炉。

实施例2

一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：备料：参见表1，钎料的化学成分的重量百分比为：Ni：13.5％；Cu：16.5％；Zr：10.5％，Be：0.4％，余量为Ti，按照上述钎料的化学成分配比，称取所需的海绵钛、海绵锆、工业纯镍、工业纯铜以及铍粉，各原料的纯度不低于99.5％；真空冶炼：采用真空感应炉对原料进行熔炼，熔炼温度为1950℃，保温时间为0.75h，真空度不低于10^-2Pa，浇铸成铸锭、空冷至室温，反复熔炼3次；

钎料制备：采用非晶箔材甩带设备进行，将熔炼好的合金铸锭放入设备的熔炼坩埚内熔化，熔化温度为1100℃，真空度为5×10^-3Pa，甩带时压力为0.2Mpa，制成非晶箔材钎料。

钎料铺设：将钎料铺设在待焊零件的待钎焊表面；

装配：将钎料通过点焊方法定位于待焊零件表面，通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好钎料的待焊零件的待钎焊表面贴合，得到两个待焊零件，两个待焊零件的待钎焊面之间的缝隙为0.06mm；

钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内进行钎焊，钎焊温度为920℃，保温时间0.75h，真空度为10^-3Pa；

实施例3

一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：备料：参见表1，钎料的化学成分的重量百分比为：Ni：15％；Cu：18％；Zr：12％，Be：0.3％，余量为Ti，按照上述钎料的化学成分配比，称取所需的海绵钛、海绵锆、工业纯镍、工业纯铜以及铍粉，各原料的纯度不低于99.5％；

真空冶炼：采用真空感应炉对原料进行熔炼，熔炼温度为2000℃，保温时间为1h，真空度不低于10^-2Pa，浇铸成铸锭、空冷至室温，反复熔炼5次；

钎料制备：采用非晶箔材甩带设备进行，将熔炼好的合金铸锭放入设备的熔炼坩埚内熔化，熔化温度为1200℃，腔体的真空度为7×10^-3Pa，甩带时压力0.3MPa，制成非晶箔材钎料。

钎料铺设：将钎料铺设在待焊零件的待钎焊表面；

装配：将钎料通过点焊方法定位于待焊零件表面，通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好钎料的待焊零件的待钎焊表面贴合，得到两个待焊零件，两个待焊零件的待钎焊面之间的缝隙为0.1mm；

钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内进行钎焊，钎焊温度为930℃，保温时间0.5h，真空度为10^-3Pa；

实施例4-9

一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法按照实施例2中钎料的制备方法进行，通过采用制备得到的钎料进行TC4钛合金钎焊的钎焊方法也按照实施例2中的钎焊方法进行，不同之处在于，钎料的化学成分重量百分比如下表1所示。

表1实施例钎料化学成分(wt％)

成分	Ni	Cu	Zr	Be	Ti
						实施例1	12％	15％	9％	0.5％	余量
实施例2	13.5％	16.5％	10.5％	0.4％	余量
						实施例3	15％	18％	12％	0.3％	余量
实施例4	13％	15％	10％	0.3％	余量
						实施例5	14％	15％	11％	0.5％	余量
实施例6	13％	16％	10％	0.4％	余量
						实施例7	12％	15％	9％	0.3％	余量
实施例8	15％	15％	12％	0.2％	余量
						实施例9	12％	16％	12％	0.3％	余量

对比例1-5

一种适用于钛合金钎焊的钎料的制备方法按照实施例2中钎料的制备方法进行，通过采用制备得到的钎料进行TC4钛合金钎焊的钎焊方法也按照实施例2中的钎焊方法进行，不同之处在于，钎料的化学成分重量百分比如下表2所示：

表2对比例钎料化学成分(wt％)

性能检测

对上述实施例中的钎料熔点进行测量，通过本发明提供的方法得到钎料的熔点为850～890℃，钛元素的熔点达到1660℃及以上，本发明体系中Zr、Cu、Ni等成分的加入可以降低钎料的熔点，使得钎料的熔点降低至任意单一元素的熔点以下，锆元素的加入可有效的降低Ti-Cu-Ni系钎料的熔点，采用本发明体系中锆元素含量为9-12％，再复配其它元素比例，得到的钎料的熔点降低到850-890℃，使得蜂窝薄壁结构的钎焊温度可以降低到910-930℃，相较于现有技术中钎料的熔点降低，尤其相较于传统的Ti-Cu-Ni三元系钎料，例如常用的Ti-15Cu-15Ni，则钎焊温度在960℃甚至更高，选用本发明体系中熔点更低的钎料用于TC4蜂窝结构，可以降低钎焊温度，避免母材，尤其是蜂窝箔材钎焊过程中的性能损失和结构失稳，大大提高钎焊后产品质量。

此外，将本发明中上述实施例和对比例中提供的钎料和钎焊方法应用于金属蜂窝壁板结构的钎焊，金属蜂窝壁板结构由上下薄面板及中间蜂窝芯体整体钎焊而成，上下面板以及蜂窝芯均为Ti6Al4V钛合金材质，参照GJB130.1-10进行蜂窝结构钎焊界面性能测试，进行横向剪切强度以及纵向剪切强度的性能检测，要求纵向剪切强度≥5.0MPa，横向剪切强度≥3.2MPa，对不同成分的焊后试样进行剪切强度的测试，测试结果如下表3所示。

表3：

由于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的薄面板以及蜂窝芯体的基体仅仅0.1mm左右，因此需要控制钎焊时间尽可能地短，以防止因为钎焊时间过长而导致的蜂窝壁板被熔蚀，但是若是钎焊时间过短的话，钎料与基体反应不充分，钎焊界面容易残留大量的钎料组织和金属间化合物，导致钎焊界面的韧性较小，脆性较大，界面性能不佳，从而影响产品性能，为此，发明人经过大量的实验得出本发明比例的体系的钎料，降低钎料的熔点至850～890℃，而且钎焊时间可以降低至0.5-1h，相较于现有技术(参照申请公布号为CN103567666A、发明名称为适用于钛合金钎焊和Ti2AlNb合金钎焊的带状钎料及制备和钎焊方法)中的钎焊保温时间为2～4h，大大降低了钎焊时间，避免现有技术中因为钎焊时间较长导致钎焊时扩散区过大，蜂窝壁板被熔蚀，而且还降低能耗，提高效率；同时，参见上表3中的检测数据，本发明实施例中采用该体系比例的钎料在该钎焊时间下得到钎焊界面的纵向剪切强度≥5.0MPa，横向剪切强度≥3.2MPa，满足产品要求，此外，得到的TC4钛合金薄壁蜂窝结构的压缩强度、弯曲强度均可以达到产品要求，而对比例中采用超出本发明提供的体系比例的钎料，尤其是当Zr含量过高或过低的时候，剪切强度较低，不符合产品要求，可以看出，采用本发明提供的钎料用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊，相较于现有技术大大提高钎焊界面的韧性，降低脆性。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：

Ni：13.5%；Cu：16.5%；Zr：10.5%，Be：0.4%；余量为Ti；

所述钎料的熔点为850-890℃，钎料钎焊时间0.5-1h；

所述钎焊材料应用的TC4钛合金薄壁蜂窝结构的薄面板以及蜂窝芯体的基体0.1mm；

所述钎焊材料钎焊后得到钎焊界面的纵向剪切强度≥5 .0MPa，横向剪切强度≥3.2Mpa。

2.如权利要求1所述的一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

备料：称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti以及Be原料粉末；

压力甩带：将真空冶炼得到的铸锭熔化，熔化温度为950～1200℃，真空度不低于10^-3Pa，制成非晶箔材钎料。

3.根据权利要求2所述的一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，其特征在于，压力甩带步骤中，腔体的真空度为3×10^-3～7×10^-3Pa，非晶箔材钎料通过甩带设备制成，甩带压力为0.1～0.3MPa，箔带厚度为0.02～0.04mm。

4.根据权利要求2所述的一种适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料的制备方法，其特征在于，真空冶炼步骤中，熔炼温度为1900～2000℃，保温时间为0.5～1h，浇铸成铸锭。

5.使用如权利要求1所述的适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料进行钎焊的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

前处理：将待焊零件依次进行表面清洁、钎料铺设、零件装配后得到两个待焊零件；

钎焊：将装配好的两个待焊零件使用权利要求1中所述的适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料进行钎焊，钎焊温度为910℃～930℃，保温时间0.5h～1h，真空度需要达到4×10^-3Pa以上，钎焊后随炉冷却。

6.根据权利要求5所述的钎焊方法，其特征在于，前处理的具体操作包括以下步骤：

清洁：清洁待焊零件表面；

钎料铺设：将权利要求1中所述的适用于TC4钛合金薄壁蜂窝结构的钎焊钎料铺设在待焊零件的待钎焊表面；

装配：将钎料通过电焊或激光焊的方法定位于待焊零件表面，通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好钎料的待焊零件的待钎焊表面贴合，得到待焊零件。

7.根据权利要求5所述的钎焊方法，其特征在于，冷却的具体操作为将钎焊完成后的零件随炉冷却至室温。

8.根据权利要求6所述的钎焊方法，其特征在于，装配步骤中，两个待焊零件的待钎焊面之间的缝隙≤0.1mm。