CN114799394A - 一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强钎缝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，采用泡沫钛和以Al、Si元素为主的钎料为填充材料，在真空炉中加热到不低于550℃，并进行保温，同时施加或不施加压力，通过液态铝钎料在母材表面和泡沫钛孔隙内部的润湿、扩散和反应，使得泡沫钛表面反应生成Ti7Al5Si12化合物，原位增强钎缝。促进钎缝冶金结合，减小钎缝热膨胀系数，降低接头残余应力，提高接头力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强钎缝的方法，属于焊接技术领域。
背景技术
高体积分数SiCp/Al复合材料因具有高强度、高耐磨性、高热稳定性、高弹性模量、低密度和低热膨胀系数等优异性能而在航空航天精密仪器、武器防御等领域具有巨大的潜力。高体积分数SiCp/Al复合材料中SiC颗粒体积分数高，其硬度大、导电性较差，因此其连接难度很大，弧焊、搅拌摩擦焊在其焊接中的应用受到严重制约，钎焊则成为比较适合高体积分数SiCp/Al复合材料连接的方法。
高体积分数SiCp/Al复合材料钎焊时，因其SiC陶瓷含量高，常出现润湿困难和接头残余应力大的问题，从而导致接头强度低。(王鹏,程东锋,牛济泰.高体积分数SiCp增强6063Al基复合材料的真空加压钎焊[J].机械工程材料,2014,38(9):34-38.)文中填充Al70-Cu22.3-Si6.1-Mg1.6膏状钎料对体积分数为60％的SiCp/6063Al复合材料进行了真空钎焊，钎料对大块SiC增强相的润湿性一般，二者之间存在较小的间隙，接头剪切强度为71.6MPa。(张德库,王恒,康路路,孙彪.采用复合钎料加压钎焊70％SiCp/Al复合材料[J].焊接学报,2020,41(6):67-71.)文章指出，采用AlSi共晶钎料钎焊70％SiCp/Al复合材料时，所得接头强度仅23.3MPa，文章采用直接添加SiC颗粒的方式在钎料中加入SiC颗粒增强相，采用Al-Si-10％SiC钎焊70％SiCp/Al复合材料所得接头在合适的工艺参数下接头强度达125.7MPa，进一步提高钎料中SiC颗粒的含量则会导致钎缝组织疏松，接头力学性能下降。
在解决钎料在陶瓷表面润湿性差和焊接接头残余应力大的问题方面，常用的解决方法有：(1)在钎料中加入Ti、Zr、V、Hf等活性元素，促进钎料在复合材料表面的润湿(JiaYang,Xunye Zhang,Guanglu Ma,et al.Microstructural evolution and mechanicalproperty ofa SiCf/SiC composite/Ni-based superalloy joint brazed with an Au-Cu-Ti filler[J].Journal ofthe European Ceramic Society,2021,41:2312-2322.)；(2)采用Ag、Au等软性中间层，利用其良好的塑性变形能力释放接头残余应力(WangYonglei,Wang Wanlin,Huang Jihua,et al.Reactive composite brazing ofC/Ccomposite and GH3044 with Ag-Ti mixed powder fllermaterial[J].MaterialsScience andEngineeringA,2019,759:303-312.)；(3)在金属基钎料中直接添加陶瓷颗粒、负膨胀系数颗粒、石墨烯等高性能增强相减小钎缝和复合材料之间的热膨胀系数差(SongYanyu,Liu Duo,Hu Shengpeng,et al.Graphene nanoplatelets reinforced AgCuTicomposite filler for brazing SiC ceramic[J].Journal of the European CeramicSociety,2019,39:696-704.)；(4)在钎缝中原位生成TiC、SiC、TiB等增强相，调节钎缝热膨胀系数(Wang Zeyu,Li Manni,Ba Jin,et al.In-Situ synthesized TiC nano-flakesreinforced C/C composite-Nb brazed joint[J].Journal of the European CeramicSociety,2018,38:1059-1068.)。
以上方法各有优劣，在钎料中加入活性元素能促进钎料在复合材料表面润湿，但不能解决钎缝和复合材料热膨胀系数差异大，接头残余应力大的问题；采用Ag、Au软性中间层能在一定程度上释放接头残余应力，但价格昂贵、在复合材料表面润湿性差、钎料本身强度、硬度较低，与复合材料性能差距大；在钎缝金属中直接添加增强相，易出现增强相偏聚、气孔等问题。原位反应生成增强相是一种解决SiCp/Al复合材料焊接问题极具潜力的方法，但在增强相含量、分布、形态等方面不易控制。
中国专利CN102248315A公开了一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，按以下步骤完成的：一、钛合金板表面处理：对钛合金板表面进行抛光处理，二、生成TiAl3金属间化合物：将经过步骤一处理的钛合金板与厚度为3～100mm的纯铝板重叠放在一起，以钛合金板在下、厚度为3～100mm的纯铝板在上的形式用夹具压紧，放入电阻炉中，将电阻炉从室温加热至680～1200℃，并在680～1200℃下持续加热10～60min，即在钛合金板上生成TiAl3金属间化合物；三、采用超声迁移和驱散：保持步骤二加热后的状态不变的情况下，在加热的钛合金板上施加频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波，采用间歇性或者连续性两种方式施加超声波，间歇性施加超声波的施加方式为每间隔1s的时间施加0.5s超声波，共超声时间为1～5min；连续性施加超声波的施加方式为不间断的施加超声波1～5min；四、焊接：取出步骤三施加超声波后的钛合金板，然后在钛合金板附着TiAl3金属间化合物的一侧放置合金钎料，并加热至550℃使钎料全部融化，然后以频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波连续性施加超声1～10s使TiAl3金属间化合物与合金钎料充分混和，最后将高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金板放置钎料的一侧搭接在一起，并调整钎缝间隙为10～500μm，加热至200～700℃后在钛合金侧放置合金钎料，并将频率为20～100kHz、振幅为30～80μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声10～20s后即完成焊接。采用超声波进行残余应力的消除，工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强钎缝的钎焊方法，同时解决钎料在复合材料表面润湿性性差和钎缝与复合材料热膨胀系数相差大而引起的残余应力大的问题。
为解决上述技术问题，提供技术方案如下：
一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，具体步骤如下：
步骤1，选用铝基钎料，钎料主要成分为Al-Si合金，形态为粉末状、膏状、箔状、条状或环状；
步骤2，对铝基钎料进行DSC测试，测得其液相线为T；
步骤3，对母材、泡沫钛和钎料进行焊前准备；
步骤4，在炉中进行焊前装配；
步骤5，抽真空，设置焊接温度和保温时间，设定或不设定压力，开始焊接；
步骤6，随炉冷却，完成焊接。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，步骤1中，所述铝基钎料中Si元素质量分数为8-20％，余量为Al及少量其他合金元素。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，步骤2中，所述的DSC测试所得液相线温度T≥550oC。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，步骤3中，所述的焊前准备包含焊前对母材、泡沫钛和钎料的准备，具体步骤如下：
步骤3.1，对于母材，焊前通过机械或化学清理方法去除表面氧化，在无水乙醇或丙酮中进行超声清洗，冷风吹干备用；
步骤3.2，对于泡沫钛，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗3～5分钟，冷风吹干；
步骤3.3，对于钎料，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗3～5分钟，冷风吹干。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，步骤4中，所述的焊前装配步骤为：
步骤4.1，采用光滑的石墨作为底座，在其表面涂抹膏状阻焊剂；
步骤4.2，将第一待焊母材放置在陶瓷底座上，待焊表面朝上，若采用粉末状、膏状或片状钎料，则先在第一待焊母材的待焊表面放置一层铝基钎料，然后在铝基钎料层上放置一层泡沫钛，随后在泡沫钛上再放置一层铝基钎料，最后在铝基钎料上放置第二待焊母材，待焊位置与铝基钎料紧密接触；
步骤4.3，若采用的钎料为条状或环状，则将第一待焊母材放置在涂有阻焊剂的石墨底座上，待焊面朝上，再将泡沫钛放置于第一待焊母材待焊位置，将第二待焊母材的待焊面放置于泡沫钛上，使第二待焊母材的待焊位置与泡沫钛紧密接触，在泡沫钛周边紧密相连位置放置钎料条或环，使其在熔化后能在毛细作用下进入泡沫钛的孔隙；
步骤4.4，在第二待焊母材上方放置涂有阻焊剂的另一石墨压块，将待焊母材压平压紧。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，步骤5中，所述的设置钎焊温度的过程如下：
步骤5.1，根据铝基钎料的熔点，钎焊温度为其液相线温度T+20～50oC，且钎焊温度不低于580oC；
步骤5.2，升温速度为6～12oC/min，加热到300oC时保温10-30min，继续以6～12oC/min的速度升温，加热到500oC时再保温10-30min，以6～12oC/min的速度继续加热到钎焊温度保温30-180min；
步骤5.3，保温结束后随炉冷却。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，所述的母材为陶瓷增强铝基复合材料或者各类可采用铝基钎料进行焊接的陶瓷材料，如SiC增强Al基复合材料、Al2O3增强Al基复合材料、TiC增强Al基复合材料、SiC增强Ti基复合材料、C纤维增强Ti基复合材料、C纤维增强SiC复合材料、SiC陶瓷、Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷。
上述的泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，按重量计，铝基钎料和泡沫钛的用量比例：m＝(1.5～3.0)ρVP；
其中，m——铝基钎料重量；ρ——铝基钎料密度；V——填充泡沫钛体积；P——填充泡沫钛孔隙率。
本发明的有益效果是：
(1)Ti7Al5Si12原位增强的铝基钎缝相比无增强相的钎缝，热膨胀系数降低，在连接铝基复合材料、陶瓷材料时钎缝与母材的热膨胀系数差减小，接头残余应力减小；
(2)原位生成增强相与直接添加增强相比，不存在增强相偏聚问题；
(3)原位生成的Ti7Al5Si12增强相，对泡沫钛骨架起到支撑作用，降低了金属泡沫在焊接过程中被压塌的风险；
(4)本发明以泡沫Ti为骨架，Al-Si基钎料为基体进行真空钎焊，获得Ti7Al5Si12化合物原位增强的钎缝。以泡沫钛形式添加引入Ti，解决常规钎料难添加Ti活性元素的问题；以Ti在Al-Si钎料中的溶解，解决复合材料及陶瓷焊接难润湿的问题；通过原位反应生成Ti7Al5Si12化合物，获得Ti7Al5Si12增强铝基复合钎缝，减小钎缝与母材在热膨胀系数、耐磨性、耐蚀性等性能上的差异；通过调节泡沫钛孔隙率、钎焊温度和保温时间，实现对复合钎缝中Ti7Al5Si12增强相数量、尺寸、形态的调控，从而调控接头性能以获得最佳连接质量。
(5)Ti是一种活性元素，可以促进钎料在陶瓷表面的铺展润湿，促进钎缝与母材的冶金结合，提高界面结合力；
(6)原位反应的存在促进了铝基钎料在泡沫钛内部的铺展和润湿，促进钎缝冶金结合。
中国专利CN103752973A公布了一种连接Si3N4的中间层组件及方法，按照铜基非晶钎料箔/中间层/铜基非晶钎料箔的顺序紧贴装配，其中铜基非晶钎料的组分及含量(质量百分比)为：Ti为20-25％，Zr为14-16，Hf为12-14％，Ta为5-6％，Mo为1.5-1.8％，Nb为0.6-0.8％，V为0.2-0.4，其余为Cu；中间层为Ta箔或Nb箔。通过调整非晶钎料的组成成分、增加Ta箔或Nb箔中间层，减少接头残余应力。非晶钎料超过临界尺寸很难保持非晶结构，超过临界温度会发生晶化，存在尺寸有限，性能不稳定，成本高的问题。中国专利CN109590634A指出，通常AgCuTi活性钎料中Ti元素含量大于4.0％(质量百分比)才对陶瓷具有比较好的焊接性能，但是，Ti元素在合金中容易出现偏析现象，并且很难加入到合金中，导致高Ti含量的AgCuTi合金无法加工制备，并且提高Ti含量会造成合金熔点升高。为此该专利发明了一种适合Si3N4陶瓷AgCuSnPdTi活性钎料，优选成分范围：Cu为23-25wt％，Sn为20-25wt％，Pd为3-5wt％，Ti为2.0-3.0wt％，Ag为余量。该银基钎料Ti含量低、熔点低、通过Pd元素提高合金与陶瓷的润湿性，需采用喷射沉积技术向钎料中添加Ti元素。Ti元素添加量受限，添加工艺复杂，钎缝与母材在热膨胀系数、耐磨性、耐蚀性等方面仍具有显著区别。
本发明所得钎缝以泡沫钛为骨架，填充Al-Si基钎料填充，原位生产Ti7Al5Si12化合物增强的钎缝，所得钎缝为复合材料，其热膨胀系数、耐磨性、耐蚀性等性能与复合材料、陶瓷更相近；钎缝所加Ti含量高、无偏析或加不进去的现象，不会提高Al-Si基钎料熔点，能有效促进钎料在复合材料或陶瓷表面润湿；钎料制备工艺及真空钎焊工艺简单；通过调节泡沫钛的孔隙率、钎焊温度和保温时间，可以改变原位反应所得Ti7Al5Si12化合物的数量、尺寸和形态，从而对钎缝性能进行调控。
附图说明
图1是填充泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12钎焊70％SiCp/Al复合材料试样装配图；
图2是填充泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12钎焊70％SiCp/Al复合材料所得接头组织(650℃、120min、10MPa)；
图3是填充泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12钎焊70％SiCp/Al复合材料所得接头组织(700℃、60min、10MPa)；
图4是填充泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12钎焊70％SiCp/Al复合材料所得接头组织(750℃、120min、10MPa)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。本发明技术方法不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括任何其他材料的焊接。
实施例1。
一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，具体步骤如下：
步骤1，选用铝基钎料，钎料主要成分为Al-Si合金，形态为粉末状、膏状、箔状、条状或环状；
步骤2，对铝基钎料进行DSC测试，测得其液相线为T；
步骤3，对母材、泡沫钛和钎料进行焊前准备；
步骤4，在炉中进行焊前装配；
步骤5，抽真空，设置焊接温度和保温时间，设定或不设定压力，开始焊接；
步骤6，随炉冷却，完成焊接。
步骤1中，更好的是，所述铝基钎料中Si元素质量分数为8-20％，余量为Al及少量其他合金元素。
步骤2中，所述的DSC测试所得液相线温度T≥550℃。
步骤3中，所述的焊前准备包含焊前对母材、泡沫钛和钎料的准备，具体步骤如下：
步骤3.1，对于母材，焊前通过机械或化学清理方法去除表面氧化，在无水乙醇或丙酮中进行超声清洗，冷风吹干备用；
步骤3.2，对于泡沫钛，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗3～5分钟，冷风吹干；
步骤3.3，对于钎料，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗3～5分钟，冷风吹干。
步骤4中，所述的焊前装配步骤为：
步骤4.1，采用光滑的石墨作为底座，在其表面涂抹膏状阻焊剂；
步骤4.2，将第一待焊母材放置在陶瓷底座上，待焊表面朝上，若采用粉末状、膏状或片状钎料，则先在第一待焊母材的待焊表面放置一层铝基钎料，然后在铝基钎料层上放置一层泡沫钛，随后在泡沫钛上再放置一层铝基钎料，最后在铝基钎料上放置第二待焊母材，待焊位置与铝基钎料紧密接触；
步骤4.3，若采用的钎料为条状或环状，则将第一待焊母材放置在涂有阻焊剂的石墨底座上，待焊面朝上，再将泡沫钛放置于第一待焊母材待焊位置，将第二待焊母材的待焊面放置于泡沫钛上，使第二待焊母材的待焊位置与泡沫钛紧密接触，在泡沫钛周边紧密相连位置放置钎料条或环，使其在熔化后能在毛细作用下进入泡沫钛的孔隙；
步骤4.4，在第二待焊母材上方放置涂有阻焊剂的另一石墨压块，将待焊母材压平压紧。
步骤5中，所述的设置钎焊温度的过程如下：
步骤5.1，根据铝基钎料的熔点，钎焊温度为其液相线温度T+20～50℃，且钎焊温度不低于580℃；
步骤5.2，升温速度为6～12℃/min，加热到300℃时保温10-30min，继续以6～12℃/min的速度升温，加热到500℃时再保温10-30min，以6～12℃/min的速度继续加热到钎焊温度保温30-180min；
步骤5.3，保温结束后随炉冷却。
所述的母材为陶瓷增强铝基复合材料或者各类可采用铝基钎料进行焊接的陶瓷材料，如SiC增强Al基复合材料、Al2O3增强Al基复合材料、TiC增强Al基复合材料、SiC增强Ti基复合材料、C纤维增强Ti基复合材料、C纤维增强SiC复合材料、SiC陶瓷、Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷。
按重量计，铝基钎料和泡沫钛的用量比例：m＝(1.5～3.0)ρVP；
其中，m——铝基钎料重量；ρ——铝基钎料密度；V——填充泡沫钛体积；P——填充泡沫钛孔隙率。
通过对铝基钎料和泡沫钛的用量比例调整，可以对钎缝性能进行调控，经申请人研究发现，铝基钎料和泡沫钛的用量比例：m＝(1.5～3.0)ρVP较为理想，填充泡沫钛体积V通过计算泡沫钛层的长*宽*高得到，填充泡沫钛孔隙率P和铝基钎料密度ρ由采用的原料参数获得，这样计算得到的铝基钎料用量，钎缝所加Ti含量高、无偏析或加不进去的现象，可以获得最佳焊接质量。
实施例2。
一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，具体步骤如下：
步骤1，选用铝基钎料，钎料主要成分为Al-Si合金，形态为粉末状、膏状、箔状、条状或环状；
步骤2，对铝基钎料进行DSC测试，测得其液相线为T；
步骤3，对母材、泡沫钛和钎料进行焊前准备；
步骤4，在炉中进行焊前装配；
步骤5，抽真空，设置焊接温度和保温时间，设定或不设定压力，开始焊接；
步骤6，随炉冷却，完成焊接。
步骤1中，更好的是，所述铝基钎料中Si元素质量分数为12-14％，余量为Al及少量其他合金元素。
步骤2中，所述的DSC测试所得液相线温度T≥550℃。
步骤3中，所述的焊前准备包含焊前对母材、泡沫钛和钎料的准备，具体步骤如下：
步骤3.1，对于母材，焊前通过机械或化学清理方法去除表面氧化，在无水乙醇或丙酮中进行超声清洗，冷风吹干备用；
步骤3.2，对于泡沫钛，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗4分钟，冷风吹干；
步骤3.3，对于钎料，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗4分钟，冷风吹干。
步骤4中，所述的焊前装配步骤为：
步骤4.1，采用光滑的石墨作为底座，在其表面涂抹膏状阻焊剂；
步骤4.2，将第一待焊母材放置在陶瓷底座上，待焊表面朝上，若采用粉末状、膏状或片状钎料，则先在第一待焊母材的待焊表面放置一层铝基钎料，然后在铝基钎料层上放置一层泡沫钛，随后在泡沫钛上再放置一层铝基钎料，最后在铝基钎料上放置第二待焊母材，待焊位置与铝基钎料紧密接触；
步骤4.3，若采用的钎料为条状或环状，则将第一待焊母材放置在涂有阻焊剂的石墨底座上，待焊面朝上，再将泡沫钛放置于第一待焊母材待焊位置，将第二待焊母材的待焊面放置于泡沫钛上，使第二待焊母材的待焊位置与泡沫钛紧密接触，在泡沫钛周边紧密相连位置放置钎料条或环，使其在熔化后能在毛细作用下进入泡沫钛的孔隙；
步骤4.4，在第二待焊母材上方放置涂有阻焊剂的另一石墨压块，将待焊母材压平压紧。
步骤5中，所述的设置钎焊温度的过程如下：
步骤5.1，根据铝基钎料的熔点，钎焊温度为其液相线温度T+30～40℃，且钎焊温度不低于580℃；
步骤5.2，升温速度为8～10℃/min，加热到300℃时保温20min，继续以8～10℃/min的速度升温，加热到500℃时再保温20min，以8～10℃/min的速度继续加热到钎焊温度保温60-120min；
步骤5.3，保温结束后随炉冷却。
所述的母材为陶瓷增强铝基复合材料或者各类可采用铝基钎料进行焊接的陶瓷材料，如SiC增强Al基复合材料、Al2O3增强Al基复合材料、TiC增强Al基复合材料、SiC增强Ti基复合材料、C纤维增强Ti基复合材料、C纤维增强SiC复合材料、SiC陶瓷、Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷。
按重量计，铝基钎料和泡沫钛的用量比例：m＝(2.0～2.5)ρVP；
其中，m——铝基钎料重量；ρ——铝基钎料密度；V——填充泡沫钛体积；P——填充泡沫钛孔隙率。
实施例3。配制Al-Si10.5-Mg0.1粉末钎料，按照图1所示装配图对70％SiCp/Al复合材料试样、AlSiMg钎料和泡沫钛进行装配，焊接温度为700℃，保温时间1h，焊接压力10MPa。
具体步骤：采用Al、Si、Mg纯金属粉末，按Al-Si10.5-Mg0.1比例配制钎料，经搅拌、球磨、烘干后制成钎料备用；将泡沫钛剪成小块，进行丙酮超声清晰，冷风吹干备用；采用水磨机对待焊复合材料表面进行打磨，然后依次采用280、400和600号砂纸对已经完成粗磨的待焊试样表面进行精磨，磨好的试样采用无水乙醇进行超声清洗，然后冷风吹干备用；按图1的装配方式，在试样待焊表面之间填充配制好的粉末钎料和泡沫钛，放入真空炉内进行合理装配；关闭炉门，抽取真空，设定参数，当真空度达到10-3Pa后，以10℃/min的速度开始加热，加热到300℃后保温20min，继续以10℃/min的速度加热，到600℃后保温20min，继续以8℃/min的速度加热，到700℃后保温时间60min，同时施加10MPa压力，保温结束后卸载，并随炉冷却。
所得Ti7Al5Si12原位增强接头的剪切强度为119.0MPa。
实施例4
配制Al-Si10.5-Mg0.1粉末钎料。将泡沫钛放入HF水溶液中进行腐蚀，改变泡沫钛的孔隙率。按照图1所示装配图对70％SiCp/Al复合材料试样、AlSiMg钎料和经处理的泡沫钛进行装配，焊接温度为700℃，保温时间60min，焊接压力10MPa。
具体步骤：采用Al、Si、Mg纯金属粉末，按Al-Si10.5-Mg0.1比例配制钎料，经搅拌、球磨、烘干后制成钎料备用；将泡沫钛剪成小块，放入0.5％的HF水溶液浸泡，取出经腐蚀的泡沫钛清水洗净，再进行丙酮超声清洗，冷风吹干备用；采用水磨机对待焊复合材料表面进行打磨，然后依次采用280、400和600号砂纸对已经完成粗磨的待焊试样表面进行精磨，磨好的试样采用无水乙醇进行超声清晰，然后冷风吹干备用；按图1的装配方式，在试样待焊表面之间填充配制好的粉末钎料和经处理的泡沫钛，放入真空炉内进行合理装配；关闭炉门，抽取真空，设定参数，当真空度达到10-3Pa后，以10℃/min的速度开始加热，加热到300℃后保温20min，继续以10℃/min的速度加热，到600℃后保温20min，继续以8℃/min的速度加热，到700℃后保温时间60min，同时施加10MPa压力，保温结束后卸载，并随炉冷却。
所得Ti7Al5Si12原位增强接头的剪切强度为140.2MPa。
对比例1
填充ER4047箔状钎料对70％SiCp/Al复合材料进行钎焊，钎焊温度为600℃，保温时间为15min，焊接压力为3MPa。
具体步骤：采用水磨机对待焊复合材料表面进行粗磨，然后依次采用280、320、400和600号砂纸对已经完成粗磨的待焊试样表面和钎料表面进行精磨，磨好的试样冷风吹干备用；在试样待焊表面之间填充钎料，放入真空炉内进行合理装配；关闭炉门，抽取真空，设定参数，当真空度达到3.9×10-3Pa后，以10℃/min的速度开始加热，加热到600℃后开始保温，保温时间15min，同时施加3MPa压力，保温结束后卸载，并随炉冷却。
70％SiCp/Al复合材料钎焊接头剪切强度为22.9MPa。
对比例2
填充Al-Si10.5-Mg0.1粉末对70％SiCp/Al复合材料进行钎焊，钎焊温度为620℃，保温时间为20min，焊接压力为3MPa。
具体步骤：采用水磨机对待焊复合材料表面进行粗磨，然后依次采用280、400和600号砂纸对已经完成粗磨的待焊试样表面进行精磨，磨好的试样冷风吹干备用；将试样放入真空炉内进行合理装配；关闭炉门，抽取真空，设定参数，当真空度达到10-3Pa后，以10℃/min的速度开始加热，加热到300℃后保温20min，继续以10℃/min的速度加热，到500℃后保温10min，继续以8℃/min的速度加热，到620℃后保温时间20min，同时施加3MPa压力，保温结束后卸载，并随炉冷却。
70％SiCp/Al复合材料钎焊接头剪切强度为67.8MPa。
Claims (8)
1.一种泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，选用铝基钎料，钎料主要成分为Al-Si合金，形态为粉末状、膏状、箔状、条状或环状；
步骤2，对铝基钎料进行DSC测试，测得其液相线为T；
步骤3，对母材、泡沫钛和钎料进行焊前准备；
步骤4，在炉中进行焊前装配；
步骤5，抽真空，设置焊接温度和保温时间，设定或不设定压力，开始焊接；
步骤6，随炉冷却，完成焊接。
2.根据权利要求1所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，步骤1中，所述铝基钎料中Si元素质量分数为8-20%，余量为Al及少量其他合金元素。
3.根据权利要求1所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，步骤2中，所述的DSC测试所得液相线温度T≥550 oC。
4.根据权利要求1所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，步骤3中，所述的焊前准备包含焊前对母材、泡沫钛和钎料的准备，具体步骤如下：
步骤3.1，对于母材，焊前通过机械或化学清理方法去除表面氧化，在无水乙醇或丙酮中进行超声清洗，冷风吹干备用；
步骤3.2，对于泡沫钛，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗3～5分钟，冷风吹干；
步骤3.3，对于钎料，焊前采用无水乙醇或丙酮进行超声清洗3～5分钟，冷风吹干。
5.根据权利要求1所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，步骤4中，所述的焊前装配步骤为：
步骤4.1，采用光滑的石墨作为底座，在其表面涂抹膏状阻焊剂；
步骤4.2，将第一待焊母材放置在陶瓷底座上，待焊表面朝上，若采用粉末状、膏状或片状钎料，则先在第一待焊母材的待焊表面放置一层铝基钎料，然后在铝基钎料层上放置一层泡沫钛，随后在泡沫钛上再放置一层铝基钎料，最后在铝基钎料上放置第二待焊母材，待焊位置与铝基钎料紧密接触；
步骤4.3，若采用的钎料为条状或环状，则将第一待焊母材放置在涂有阻焊剂的石墨底座上，待焊面朝上，再将泡沫钛放置于第一待焊母材待焊位置，将第二待焊母材的待焊面放置于泡沫钛上，使第二待焊母材的待焊位置与泡沫钛紧密接触，在泡沫钛周边紧密相连位置放置钎料条或环，使其在熔化后能在毛细作用下进入泡沫钛的孔隙；
步骤4.4，在第二待焊母材上方放置涂有阻焊剂的另一石墨压块，将待焊母材压平压紧。
6.根据权利要求1所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，步骤5中，所述的设置钎焊温度的过程如下：
步骤5.1，根据铝基钎料的熔点，钎焊温度为其液相线温度T+20～50 oC，且钎焊温度不低于580 oC；
步骤5.2，升温速度为6～12 oC/min，加热到300 oC时保温10-30 min，继续以6～12 oC/min的速度升温，加热到500 oC时再保温10-30 min，以6～12 oC/min的速度继续加热到钎焊温度保温30-180 min；
步骤5.3，保温结束后随炉冷却。
7.根据权利要求1、4或5所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，所述的母材为陶瓷增强铝基复合材料或者各类可采用铝基钎料进行焊接的陶瓷材料，如SiC增强Al基复合材料、Al2O3增强Al基复合材料、TiC增强Al基复合材料、SiC增强Ti基复合材料、C纤维增强Ti基复合材料、C纤维增强SiC复合材料、SiC陶瓷、Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷。
8.根据权利要求1所述泡沫钛原位生成Ti7Al5Si12增强铝基钎缝的方法，其特征在于，按重量计，铝基钎料和泡沫钛的用量比例：m=（1.5～3.0）ρVP；
其中，m——铝基钎料重量；ρ——铝基钎料密度；V——填充泡沫钛体积；P——填充泡沫钛孔隙率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220729 |