CN112453760A - 一种钛基钎料及用其制备纯钛多层结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛基钎料及用其制备纯钛多层结构的方法，该技术属于焊接技术领域，采用低熔点、高韧性的多元非晶钛基箔状钎料，在短时保温条件下，接头化合物数量减少、接头晶粒细化，改善了接头冶金组织的均匀性；使用该钎料和特殊装配方法所获得的多层结构具有高焊合率、高强度的特点；适用于纯钛及钛合金的蜂窝夹层结构、波纹夹层结构、翅片式结构等。钎料的使用范围广、工艺窗口宽、多层结构的组装方法简便。

Description

一种钛基钎料及用其制备纯钛多层结构的方法
技术领域
本发明涉及一种钛基钎料及使用其钎焊多层结构的方法，该技术属于焊接技术领域。
背景技术
钛材料已成为航空航天领域的重要材料，钛材料的夹层结构能够进一步发挥材料和结构优势，如钛材料的蜂窝夹层结构飞机壁板、列管式或翅片式结构的散热器，等等。与常规铝合金或复合材料的蜂窝夹层结构相比，钛的夹层结构的耐蚀性、耐温能力及结构强度均得到显著改善。这类结构一般采用精密钎焊技术，即基体材料不发生熔化和相变，仅连接部位所用钎料合金发生熔化，依靠毛细作用和元素扩散形成牢靠的冶金结合界面。
资料显示，含纯钛的夹层结构是列管式和翅片式散热器，采用的是纯钛-钛合金或纯钛-不锈钢异种材料组合。现有技术存在如下问题，1)钎焊接头强度低、韧性差。常规时采用Ag-Cu钎料，其熔点低、可以在低于纯钛相变温度885℃下实施钎焊，但界面析出大量TiCu和Ti2Cu化合物，随着保温时间自5～20min延长，Ti2Cu化合物成树枝状生长，导致结构强度进一步恶化、接头脆性失效。此外，Ag元素在钎料中含量较多(20％以上)、接头耐蚀性较差。若采用Ti基钎料，这类钎料与常规钛合金的冶金相容性较好，但其熔点高不能满足纯钛的钎焊要求，导致纯钛发生相变、晶粒粗化。其次，这类钎料不易成形为箔带，同时钎料合金元素的扩散能力不佳，薄壁钎角处钎料堆积引起薄壁溶蚀。2)薄壁夹层结构的变形控制和钎焊条件难以协调。对于薄壁(单元壁厚度0.05-0.10mm)、多单元、单元排列形式复杂的夹层结构，采用传统方法将钎料仅添置于上下蒙皮时，须采用工装施压方法对夹层和蒙皮间钎焊间隙进行严控，方可达到钎焊条件即产生毛细作用、使熔态钎料合金渗入到间隙，将夹层结构焊接成一个完整体。然而，纯钛韧性非常优异，导致纯钛薄壁变形，在工装施压情况下合理控制结构型面精度的难度较大。3)大高度情况下夹层结构件更容易失稳，同时钎料用量不易控制；用量多会导致结构的薄壁部位发生溶蚀，在交变载荷下界面易发生开裂；而用量过少会导致结构焊着率不足，不能达到产品交付的质量要求。
发明内容
本发明的目的是：提出一种钛基钎料以及用其制备纯钛多层结构的方法，适用于纯钛及纯钛与钛合金组合夹层结构的TiZrCuNiAgSn钎料和相应钎焊工艺，以及箔带钎料的装配方法，解决以上技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，本发明提供一种钛基钎料，所述钛基钎料的成份及重量百分比为：Ni：10.0～13.0；Cu：10.0～13.0；Zr：10.0～14.0；Ag：1.0～5.0；Sn：0.01～0.1；余量为Ti。
进一步地，所述钛基钎料的成份及重量百分比为：Ni：10.0～11.0；Cu：10.0～11.0；Zr：11.0～13.0；Ag：2.2～4.2；Sn：0.01～0.1；余量为Ti。
所述钛基钎料制备方法如下：首先在惰性气体保护条件下将此合金原料熔炼成合金锭；然后采用单辊急冷制带方法制备箔带钎料；
(A)备料：钎料合金锭加工成块状，置于底部开有缝隙式喷嘴的石英坩埚中，喷嘴距离激冷辊约1～2㎜；
(B)调试：进行“抽真空-充氩气”反复操作至炉体内真空度达到1.0×10-2Pa，而后充氩气至炉体内压力达到0.8个大气压；再通过感应线圈加热石英坩埚将合金锭熔化为熔体，同时调整激冷辊的转速至1800转/分钟；
(C)甩带：目视观察合金锭完全熔化保持10秒钟，利用氩气产生的气压将熔体迅速喷出并附着在激冷辊上，并急冷凝固且沿轮辊切线方向离心甩出，得到钎料箔带；钎料厚度为25-60μm，宽度为18-25mm。
另一方面，本发明提供利用所述钛基钎料制备纯钛多层结构的方法，所述多层结构由数个单层顺次排列并钎焊而成；排列方式为：相邻层间是相同方向或相互垂直交替。
每个单层的结构为上下薄板和中间夹芯；薄板材料为钛合金，夹芯材料为纯钛或者钛合金；夹芯结构形式可以为蜂窝、翅片等；待连接各组件的位置关系为，组件沿着垂直方向对中、自上而下依次为上薄板、夹芯、下薄板。
制备所述纯钛多层结构的方法为：
将钎料箔带定位且铺满夹芯内部；夹芯内部的波纹带与波纹带的贴合间隙不大于0.1mm；电阻点焊的焊点呈Z字形分布，焊点之间垂直距离为2.0-3.0mm、水平间距为5.0-6.0mm；当钎料箔厚度为30-40μm时其用量为双层；当钎料箔厚度大于40μm且不足60μm时其用量为单层；钎料箔带之间搭接、搭接宽度为钎料厚度的1/10-1/8。
所述钎料箔带定位采用电阻点焊或激光点焊的方法。
所述制备方法中钎焊工艺为：50℃/min升温到300℃→25℃/min升温到450℃→30℃/min升温到500℃→44℃/min升温到T、保温10-25min→随炉冷却至室温，在真空度满足1×10-3Pa条件；当待焊接材料包含纯钛时，T＝860-875℃；当待焊接材料为钛合金时，T＝900-950℃。
本发明的有益效果是：
1)提出一种箔带成型性良好、低熔点并易扩散的多元非晶钛基钎料及相应低温短时保温工艺，确保焊后纯钛箔的显微组织得到维持及基本性能不会衰减；
2)针对多层结构优化出钎料厚度用量，能够避免溶蚀并满足结构焊着率要求；
3)提出了与单元结构高度成一定比例关系的、块状且中空布局的焊接工装，避免薄壁单元变形并满足钎焊条件要求，因此本发明拓宽了纯钛材料多层结构的制造工艺窗口、降低了结构制造技术难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为多层结构和结构单元及钎料位置示意图；
图2为钎料箔带定位示意图；
图3为焊接工装示意图；
其中，1-上薄板、钎料箔带、3-单元、4-下薄板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
实施例1
备料：准备厚度为0.05mm的TA1钛箔、钎料箔带及厚度为0.8mm的TC4薄板；钎料的成分(重量百分比)为，Ti-11.5Zr-11.8Cu-12.0Ni-2.5Ag-0.01Sn。钎料厚度为25μm、宽度为20mm。将TA1钛箔和TC4薄板放进含清洗剂的超声清洗设备进行清洗，去除表面油污；然后放入烘箱中在80℃温度下保温20min。通过成型设备将TA1箔制备为具有1/2的内切圆直径8.4mm的六边形波纹带，波纹带的高度20mm。
采用电阻点焊方法将双层钎料箔带固定波纹带与波纹带之间、并铺满；波纹带与波纹带的贴合间隙为0.09mm；相邻钎料箔带的搭接宽度为2mm；电阻点焊的焊点呈Z字形分布，焊点之间垂直距离为3.0mm、水平间距6.0mm。
采用焊接工装为纯铝材料、型面与结构件的上薄板型面相同，工装厚度为夹层单元高度的1/3，选为6.5mm；且沿着水平面方向均匀分布的穿透型圆柱孔、直径为2个六边形单元格直径大小即16.8mm；铝块表面涂抹阻焊剂。
将结构件平放在真空钎焊炉的均温区，钎焊过程施加焊接工装；钎焊工艺如下：50℃/min升温到300℃→25℃/min升温到450℃→30℃/min升温到500℃→44℃/min升温到860℃、保温13min→随炉冷却至室温，在真空度为2.0×10-3Pa条件。
实施例2
备料：准备厚度为0.05mm的TC1钛箔、钎料箔带及厚度为0.6mm的TC4薄板；钎料的成分(重量百分比)为，Ti-12.5Zr-12.8Cu-12.8Ni-3.4Ag-0.03Sn。钎料厚度为20μm、宽度为18mm。将TC1钛箔和TC4薄板放进含清洗剂的超声清洗设备进行清洗，去除表面油污；然后放入烘箱中在80℃温度下保温18min。通过成型设备将TC1钛箔制备为具有1/2的内切圆直径10mm的六边形波纹带，波纹带的高度15mm。
采用电阻点焊方法将双层钎料箔带固定波纹带与波纹带之间、并铺满；波纹带与波纹带的贴合间隙为0.07mm；相邻钎料箔带的搭接宽度为1.8mm；电阻点焊的焊点呈Z字形分布，焊点之间垂直距离为2.8mm、水平间距5.5mm。
采用焊接工装为纯铝材料、型面与结构件的上薄板型面相同，工装厚度为夹层单元高度的1/3-1/2，选为6.5mm；且沿着水平面方向均匀分布的穿透型圆柱孔、直径为2个六边形单元格直径大小即20.0mm；铝块表面涂抹阻焊剂。
将结构件平放在真空钎焊炉的均温区，钎焊过程施加焊接工装；钎焊工艺如下：50℃/min升温到300℃→25℃/min升温到450℃→30℃/min升温到500℃→44℃/min升温到865℃、保温15min→随炉冷却至室温，在真空度为3.0×10-3Pa条件。
实施例3
备料：准备厚度为0.05mm的TC4钛箔、钎料箔带及厚度为0.6mm的TA18薄板；钎料的成分(重量百分比)为，Ti-12.5Zr-12.8Cu-12.8Ni-3.4Ag-0.03Sn。钎料厚度为20μm、宽度为16mm。将TC4钛箔和TA18薄板放进含清洗剂的超声清洗设备进行清洗，去除表面油污；然后放入烘箱中在80℃温度下保温19min。通过成型设备将TC1钛箔制备为具有1/2的内切圆直径4.8mm的六边形波纹带，波纹带的高度15mm。
采用电阻点焊方法将双层钎料箔带固定波纹带与波纹带之间、并铺满；波纹带与波纹带的贴合间隙为0.05mm；相邻钎料箔带的搭接宽度为1.6mm；电阻点焊的焊点呈Z字形分布，焊点之间垂直距离为2.5mm、水平间距5.0mm。
采用焊接工装为纯铝材料、型面与结构件的上薄板型面相同，工装厚度为夹层单元高度的1/2，选为7.5mm；且沿着水平面方向均匀分布的穿透型圆柱孔、直径为2个六边形单元格直径大小即9.6mm；铝块表面涂抹阻焊剂。
将结构件平放在真空钎焊炉的均温区，钎焊过程施加焊接工装；钎焊工艺如下：50℃/min升温到300℃→25℃/min升温到450℃→30℃/min升温到500℃→44℃/min升温到908℃、保温25min→随炉冷却至室温，在真空度为3.0×10-3Pa条件。
本发明采用的焊接工装如图3所示，该工装为纯铝材料；工装型面与待焊接件上薄板型面一致；工装厚度为待焊接件内部夹层单元高度的1/3-1/2；图中H为焊接样件的水平面积；D＝1.5d；h为夹层单元高度的1/3-1/2；工装表面均匀分布圆柱孔，孔位于垂直方向，孔径为2-3个单元格直径大小；孔边缘的倒角为30～45°；将上述工装垂直且对中地放置于待焊接件表面，用塞尺检测工装与其所贴合的待焊接件表面之间的间隙，贴合间隙为0～0.1mm。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钛基钎料，其特征在于：所述钛基钎料的成份及重量百分比为：Ni：10.0～13.0；Cu：10.0～13.0；Zr：10.0～14.0；Ag：1.0～5.0；Sn：0.01～0.1；余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的钛基钎料，其特征在于：所述钛基钎料的成份及重量百分比为：Ni：10.0～11.0；Cu：10.0～11.0；Zr：11.0～13.0；Ag：2.2～4.2；Sn：0.01～0.1；余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的钛基钎料，其特征在于：所述钛基钎料制备方法如下：首先在惰性气体保护条件下将此合金原料熔炼成合金锭；然后采用单辊急冷制带方法制备箔带钎料；
(A)备料：钎料合金锭加工成块状，置于底部开有缝隙式喷嘴的石英坩埚中，喷嘴距离激冷辊约1～2mm；
(B)调试：进行“抽真空-充氩气”反复操作至炉体内真空度达到1.0×10-2Pa，而后充氩气至炉体内压力达到0.8个大气压；再通过感应线圈加热石英坩埚将合金锭熔化为熔体，同时调整激冷辊的转速至1800转/分钟；
(C)甩带：急冷凝固且沿轮辊切线方向离心甩出得到钎料箔带；钎料厚度为25-60μm，宽度为18-25mm。
4.利用权利要求1所述钛基钎料制备的纯钛多层结构，其特征在于：所述多层结构由数个单层顺次排列并钎焊而成；每个单层的结构为上下薄板和中间夹芯；薄板材料为钛合金，夹芯材料为纯钛或者钛合金；夹芯结构形式为蜂窝、翅片；待连接各组件的位置关系为，组件沿着垂直方向对中、自上而下依次为上薄板、夹芯、下薄板。
5.根据权利要求4所述的多层结构，其特征在于：所述排列方式为相邻层间是相同方向或相互垂直交替。
6.制备权利要求4所述多层结构的方法，其特征在于：所述方法将钎料箔带定位且铺满夹芯内部；夹芯内部的波纹带与波纹带的贴合间隙不大于0.1mm；电阻点焊的焊点呈Z字形分布，焊点之间垂直距离为2.0-3.0mm、水平间距为5.0-6.0mm；当钎料箔厚度为30-40μm时其用量为双层；当钎料箔厚度大于40μm且不足60μm时其用量为单层；钎料箔带之间搭接、搭接宽度为钎料厚度的1/10-1/8。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述钎料箔带定位采用电阻点焊或激光点焊。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法中钎焊工艺为：50℃/min升温到300℃→25℃/min升温到450℃→30℃/min升温到500℃→44℃/min升温到T、保温10-25min→随炉冷却至室温，在真空度满足1×10-3Pa条件；当待焊接材料包含纯钛时，T＝860-875℃；当待焊接材料为钛合金时，T＝900-950℃。
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