CN112621020B - 一种镍基药芯钎料、制备方法及应用 - Google Patents

一种镍基药芯钎料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种镍基药芯钎料，包括药芯和包裹药芯的镍基合金；所述镍基合金为镍铬合金；所述药芯占镍基药芯钎料总质量的30％至40％，所述药芯按照质量分数包括：13％至24％NiSi2粉，19％至33％GdF3粉，硬钎剂粉为余量；本发明还公开该镍基药芯钎料的制备方法以及在大气环境中应用于陶瓷和高温合金的钎焊；该发明自带钎剂，钎焊时实现了钎剂的自动、协同添加，此外该发明具有良好的加工性能，应用过程中降低了钎焊温度，提高了钎焊接头强度。

Description

一种镍基药芯钎料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及药芯钎料技术领域，特别是涉及一种镍基药芯钎料、制备方法及应用。
背景技术
陶瓷具有高硬度、高热强性等优良的机械性能，在能源、化工、机械、航空航天等诸多领域都有着极其广泛的应用背景，但陶瓷脆性大，抗冲击、抗热震性能很差，难以制成复杂结构等，限制了其核心功能的应用。高温合金具有良好的塑性和延展性，机械加工性能优良，但在耐高温、耐腐蚀、耐磨损等方面的性能已经不能满足日益提高的使用要求。由此可见，陶瓷材料与高温合金之间有明显的一种性能互补关系，实际应用中，将陶瓷与高温合金连接起来制成复合构件，能充分发挥两种材料的性能优点，弥补各自的不足。钎焊因其生产效率高，焊件变形小，适用于复杂结构的连接等优点，成为陶瓷与高温合金可靠连接的方法之一。
目前，用于直接钎焊陶瓷与高温合金的钎料通常为Ag基钎料、Ni基钎料等。其中，Ag基钎料对于陶瓷与高温合金润湿性较好，但其钎焊接头的服役温度仅有500℃甚至更低，导致陶瓷和高温合金的耐高温性能难以充分发挥。Ni基钎料具有较高的热稳定性和耐腐蚀性，其钎焊接头能在600℃以上的高温下工作，可以充分发挥陶瓷与高温合金连接构件的特性。但是Ni基钎料的熔化温度一般在1300℃，通常会加入微量降熔成分Si、B，用于适当降低钎料熔点。由于Si、B元素的加入与Ni基体形成金属间化合物，导致Ni基钎料具有较大的脆性，加工性能差，很难加工成丝状或条状，一般制成粉状，钎焊时需与钎剂混合后预置于待钎焊区域，经常出现钎剂添加过量或不均匀现象。其次，目前镍基钎料主要在真空或者气氛保护炉中钎焊，对设备要求高，而且炉中钎焊对小批量生产成本较高，装炉量有限，生产效率低。随着钎焊技术在各行业中的应用不断增多，实现自动化钎焊的要求越来越迫切，由于目前的镍基药芯钎料在制备技术方面存在难题，严重限制了镍基钎料在自动化钎焊的推广应用。
围绕上述问题，现有技术已经开展了一些探索性研究或者应用工作。但是，仍然没有很好解决镍基钎料加工性差、钎焊接头强度低、钎焊效率低等多种问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种镍基药芯钎料，该发明自带钎剂，钎焊时实现了钎剂的自动、协同添加,加工性能良好。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种镍基药芯钎料，包括药芯和包裹药芯的镍基合金；
所述镍基合金为镍铬合金；
所述药芯按照质量分数包括：
NiSi2粉 13％至24％；
GdF3粉 19％至33％；
硬钎剂粉余量。
优选所述硬钎剂粉包括硼酸和硼砂，其中硼酸和硼砂的质量比为3:1。钎剂活性温度区间适中，能使钎料很好地铺展。
优选所述药芯占镍基药芯钎料总质量的30％至40％。本发明钎剂与钎料之间的比例合适，钎剂能较长时间对母材起保护作用，可使钎料与母材润湿并铺展。当药芯用量不合适时容易产生漫流、漏焊、钎焊强度低等钎焊缺陷。
优选所述镍铬合金按照质量分数包括：Cr20％，Ni80％，具有良好的加工性能。
本发明的第二目的在于提供一种镍基药芯钎料的制备方法，该发明制备工艺简单，制得的镍基药芯钎料可在空气环境中使用。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种镍基药芯钎料的制备方法，
包括以下步骤：
步骤一、原料的选取和配制：取镍铬合金带，将药芯中各组分按照所述质量分数混合均匀并烘干，备用；
步骤二、镍基药芯钎料轧制成形：镍铬合金带经成形轧机轧制成U形槽，同时配制的药芯通过送粉装置连续加入到U形槽中，经成形轧机轧制合口；
步骤三、镍基药芯钎料旋锻减径：轧制合口后的镍基药芯钎料经旋锻，得到成品镍基药芯钎料。
优选所述成品镍基药芯钎料的外径为1.2mm～2.5mm。
优选所述成品镍基药芯钎料为条状或者丝状。本发明中的镍基药芯钎料有效改变了镍基钎料的结构形态，方便使用，同时可以在大气环境中钎焊。
本发明的第三目的在于提供一种镍基药芯钎料的应用，该发明可于大气环境钎焊，减少对真空或气氛保护等复杂工况和设备的依赖。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：镍基药芯钎料应用，钎焊环境为大气环境，钎焊温度为1060至1140℃。
优选应用于陶瓷与高温合金的钎焊。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明镍基药芯钎料，以镍铬合金为外皮，充分利用其良好的塑性，使其包裹药芯制成镍基药芯钎料，保证了整体良好的加工性能，可后续加工成丝状或条状，且镍铬合金中Cr元素可与陶瓷界面氧化硅发生界面还原反应，Cr还原氧化硅膜,破除陶瓷表面的氧化硅润湿壁垒，在钎料对陶瓷的润湿过程中起明显的促进作用，并形成了与金属有相似结构的金属硅化物，在钎料与陶瓷间形成新的化学键，强化了两者间的冶金连接，而且镍铬合金具有高的热稳定性和耐腐蚀性，有利于母材在高温环境下服役；
钎焊过程中，本发明药芯中NiSi2、GdF3、硼砂和硼酸共同配合。硼酸与硼砂受热分解生成硼酐，硼酐与氧化物形成易溶的硼酸盐，去除表面氧化膜，清洁母材表面；熔融的NiSi2与陶瓷接触，陶瓷中的硅化物开始溶解，形成液态合金，当溶解到一定程度时，开始以单质形式析出，而析出的单质又与液态合金中的硅发生反应形成硅化物，NiSi2与硅化物发生着溶解和形成的动态平衡，使其与陶瓷具有优良的非反应润湿特性，提高液态钎料对陶瓷的润湿性；GdF3提高去氧化膜的能力，也可以促进润湿；
本发明中熔融钎剂以液态薄层形式覆盖母材和钎料表面，隔绝空气起保护作用；随着温度继续升高，药芯中NiSi2和GdF3与镍铬合金发生反应钎焊，共同熔化进入到钎缝中，熔入钎缝的Si和Gd可降低钎料熔点，促使钎焊在较低的温度下进行，避免了钎焊时母材性能的下降，减少脆性化合物生成；Gd原子半径较大，在Ni中溶解度极低，会占据晶界部分Ni原子的位置富集，阻碍晶粒长大，细化晶粒，提高钎焊接头的抗剪强度。
本发明镍基药芯钎料在大气环境中使用，改变了传统镍基钎料与钎剂分开使用的情况，可实现钎剂的自动精准添加，且摆脱了传统镍基钎料主要用于炉中钎焊的现状，降低对设备的要求，提高钎焊效率，利于自动化钎焊。
从而实现本发明的上述目的。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种镍基药芯钎料，包括药芯和包裹药芯的镍基合金；
所述镍基合金为镍铬合金；
所述药芯按照质量分数包括：
NiSi2粉24％，GdF3粉19％，硬钎剂粉57％；
所述硬钎剂粉包括硼酸和硼砂，其中硼酸和硼砂的质量比为3:1。
所述药芯占镍基药芯钎料总质量的35％。
本发明所用镍铬合金带，宽度15mm，厚度0.6mm，按照质量分数包括：Cr20％，Ni80％。
本实施例中镍基药芯钎料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、原料的选取和配制：取镍铬合金带，根据镍铬合金带的质量，配制出药芯中各组成成分的质量，混合均匀并烘干，备用；
步骤二、镍基药芯钎料轧制成形：镍铬合金带经成形轧机轧制成U形槽，同时将步骤一配制药芯通过送粉装置连续加入到U形槽中，经成形轧机轧制合口，得到镍基药芯钎料；
步骤三、镍基药芯钎料旋锻减径：轧制合口后的镍基药芯钎料经旋锻，得到丝状或者条状的镍基药芯钎料，外径为1.5～2.5mm。
实施例2
本实施例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉17％，GdF3粉33％，硬钎剂粉50％；所述药芯占镍基药芯钎料总质量的40％。
实施例3
本实施例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉13％，GdF3粉30％，硬钎剂粉57％；所述药芯占镍基药芯钎料总质量的30％。
实施例4
本实施例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉15％，GdF3粉32％，硬钎剂粉53％。
对比例1
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：硬钎剂粉100％。
对比例2
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉21％，硬钎剂粉79％。
对比例3
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉18％，硬钎剂粉82％。
对比例4
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉13％，硬钎剂粉87％。
对比例5
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉8％，硬钎剂粉92％。
对比例6
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：GdF3粉36％，硬钎剂粉64％。
对比例7
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：GdF3粉28％，硬钎剂粉72％。
对比例8
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：GdF3粉23％，硬钎剂粉77％。
对比例9
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：GdF3粉16％，硬钎剂粉84％。
对比例10
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：NiSi2粉47％，硬钎剂粉53％。
对比例11
本例与实施例1的主要区别在于：
药芯的化学成分及其质量百分比为：GdF3粉47％，硬钎剂粉53％。
将上述实施例和对比例制得的镍基药芯钎料采用无气体保护的炉中钎焊，母材为SiC陶瓷和GH3044高温合金，钎焊接头为搭接接头，钎焊后进行钎焊接头抗剪强度的测试。在母材上堆敷药芯焊丝，测熔敷金属的化学成分。根据《GB/T11364-2008钎料润湿性试验方法》在SiC陶瓷上进行润湿性试验，沿铺展钎料的中心线截取剖面，用光学显微镜拍摄剖面形貌，用CAD来确定固/液/气三相点处切线的斜率，从而得到钎料接触角；上述性能指标的测试数据详见表1所示。
表1实施例1至4以及对比例1至11和BNi-5钎料钎焊性能测试数据
Figure BDA0002861023430000081
如表1所示，对比例1至11单独添加NiSi2粉或GdF3粉制得的镍基药芯钎料与BNi-5钎料对比可知，单独添加NiSi2粉或GdF3粉对钎焊温度、钎料润湿性和钎焊接头抗剪强度均未有明显改善；实施例1至4采用NiSi2与GdF3共用配合硬钎剂粉制得的镍基药芯钎料，其性能与BNi-5进行对比可知，本发明钎焊温度明显下降，接触角下降，润湿性显著提升，同时抗剪强度也显著提高；说明当NiSi2粉与GdF3共用时，协同提升本发明制得镍基药芯钎料的性能；本发明镍基药芯钎料在大气环境中使用，改变了传统镍基钎料与钎剂分开使用的情况，可实现钎剂的自动精准添加，且摆脱了传统镍基钎料主要用于炉中钎焊的现状，降低了对设备的要求，提高钎焊效率，有利于自动化钎焊。

Claims (8)

1.一种应用于陶瓷与高温合金的钎焊的镍基药芯钎料，其特征在于：包括药芯和包裹药芯的镍基合金；
所述镍基合金为镍铬合金；
所述药芯按照质量分数包括：
NiSi2粉 13%至24%；
GdF3粉 19%至33%；
硬钎剂粉为余量；
钎焊环境为大气环境。
2.如权利要求1所述的镍基药芯钎料，其特征在于：所述硬钎剂粉包括硼酸和硼砂，其中硼酸和硼砂的质量比为3:1。
3.如权利要求1所述的镍基药芯钎料，其特征在于：所述药芯占镍基药芯钎料总质量的30%至40%。
4.如权利要求1所述的镍基药芯钎料，其特征在于：所述镍铬合金按照质量分数包括：Cr20%，Ni80%。
5.一种如权利要求1至4任一项所述镍基药芯钎料的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、原料的选取和配制：取镍铬合金带，将药芯中各组分按照所述质量分数混合均匀并烘干，备用；
步骤二、镍基药芯钎料轧制成形：镍铬合金带经成形轧机轧制成U形槽，同时配制的药芯通过送粉装置连续加入到U形槽中，经成形轧机轧制合口；
步骤三、镍基药芯钎料旋锻减径：轧制合口后的镍基药芯钎料经旋锻，得到成品镍基药芯钎料。
6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于：所述成品镍基药芯钎料的外径为1.2 mm～2.5 mm。
7.如权利要求5所述制备方法，其特征在于：所述成品镍基药芯钎料为条状或者丝状。
8.一种如权利要求1至4任一项所述镍基药芯钎料应用，其特征在于：钎焊温度为1060℃至1140℃。
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