CN117300438A - 一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料及其制备方法和应用，涉及一种锆基钎料及其制备方法和应用。为了解决现有的钛合金钎焊过程中易产生溶蚀的问题，提供一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料及其制备方法和应用。本发明钎料由10～20wt.％的Ti，2～8wt.％的Cu，5～15wt.％的Ni，2～8wt.％的Co和余量的Zr组成。制备：称取原料并进行熔炼得到钎料铸锭，通过单辊旋淬法制备成非晶态钎料箔材或通过气雾化法或研磨法制备成粉末并将粉末与粘结剂混合制成膏状钎料。钎焊钛合金方法：将合金待焊表面打磨，将非晶态钎料箔材或膏状钎料置于焊接合金的待焊表面之间得到待焊件进行钎焊。本发明钎料具有优良的力学及低溶蚀性能，与母材润湿性能良好，易于形成性能优良的钎焊接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种锆基钎料及其制备方法和应用。
背景技术
钛及钛合金由于其密度小、力学性能优异的性质，是在航空航天、车辆工程、化学工程等领域广泛应用的一种优良的结构材料。钛合金在室温下性质较为稳定，但在高温时活性较高，极易与空气中的O、N、H等元素反应生成氧化物及其他杂质，严重影响焊接接头质量。在高真空或氩气的条件下进行焊接消除空气对焊接接头性性能的不利影响。如对于换热器、蜂窝夹层等薄壁钛合金结构，采用钎焊方式进行加工可以有效控制焊接残余应力和残余变形，实现复杂构件的精密成形。
在使用钎焊的方法制造TC4板翅式换热器时，钎焊工艺参数和钎焊材料是关键的因素。目前在钛合金的钎焊中，应用最广泛的当属Ti钎料。在高温钎焊过程中，母材溶解厚度主要取决于温度。目前Ti基钎料的熔点通常在810℃以上，钎焊温度则在880℃以上。在这种温度下，使用Ti基钎料钎焊合金薄壁板翅式散热器容易发生溶蚀现象。因此，急需开发一种新型钎料，能够在较低温度下实现钛合金的可靠连接，降低溶蚀风险同时并保持一定的接头强度。
发明内容
本发明为了解决现有的钛合金钎焊过程中易产生溶蚀的问题，提供一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料及其制备方法和应用，本发明钎料具有优良的力学及低溶蚀性能，与母材润湿性能良好，易于形成性能优良的钎焊接头。
本发明适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料由10～20wt.％的Ti，2～8wt.％的Cu，5～15wt.％的Ni，2～8wt.％的Co和余量的Zr组成，适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的液相线温度为750～800℃。
上述适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按质量分数Ti：10～20wt.％，Cu：2～8wt.％，Ni：5～15wt.％，Co：2～8wt.％和余量为Zr称取原料；所述原料为Zr、Ti、Cu、Ni和Co的纯金属锭或中间合金锭；
步骤二：将步骤一称取的原料进行熔炼，得到钎料铸锭；
步骤三：将步骤二中获取的钎料铸锭通过单辊旋淬法制备成非晶态钎料箔材；或通过气雾化法或研磨法制备成粉末，并将粉末与粘结剂混合制成膏状钎料。
利用上述适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法按照以下步骤进行：
将待焊接合金的待焊表面打磨去除表面油污和氧化物，将非晶态钎料箔材或膏状钎料置于焊接合金的待焊表面之间得到待焊件，将待焊件放入钎焊炉中，进行钎焊；
所述钎焊的工艺为：开始以10℃/min的速度加热到840～920℃并保温10～20min，然后以10℃/min的速度降温到190～210℃，取出工件，完成钛合金的钎焊。
本发明的原理及有益的技术效果为：
1、本发明适用于钛合金钎焊的低溶蚀、高强锆基钎料的由于具有较低的熔点，因而可以在较低的温度下焊接。根据Fick定律，温度越低，元素扩散速度越慢。较低的钎焊温度会降低原子的扩散速率，这可以减轻钎料与母材的反应。这有利于能够减轻钎焊过程中的母材溶蚀现象，特别是焊接母材较薄的薄壁结构件时，具有接头强度高、溶蚀程度低等优势。
2、本发明中，Zr为钎料的主要元素，这使得钎料具有较好的强度，有利于得到具有较好的力学性能的钎焊接头。同时Zr与母材中的Ti元素化学性质相近，这使钎料与母材具有良好的润湿性和冶金结合性。Ti可降低Zr基钎料的熔点，并提高钎料与母材的润湿性能。由于Zr元素具有较好的耐蚀性能，因而将Zr作为钎料的主要元素，可使接头具有较好的耐蚀性能。Cu、Ni、Co这三种元素的均可以Zr发生共晶反应生成低熔点化合物，可大幅降低锆基钎料的熔点。使可以在较低温度下进行钎焊。
3、本发明用于焊接钛合金的锆基钎料为箔片或者膏状粉末，成分均匀、便于装配，且能较好的控制钎缝宽度，是理想的钎料材料，更适合投入实际生产。
4、本发明采用真空钎焊或者在保护气的环境下进行钎焊，可以消除焊接环境中的空气、水蒸气等对焊接接头性性能的不利影响，减少接头处氧化物的生成，获得性能优异的钎焊接头。
5、本发明低溶蚀高强锆基钎料具有较低的熔点，可以在较低温度下对目前进行钎焊，主要是利用低温来减弱元素的扩散，从而减弱钎料中降熔元素对母材的溶解，钎焊温度较低。这与专利CN116275695A公开的高熵钎料利用高熵合金的迟滞扩散效应抑制元素的扩散进行减弱钎料中降熔元素(Cu、Ni等)对母材的溶解作用的原理完全不同，并且高熵钎料的钎焊温度高于本申请。
附图说明
图1为实施例1中在880℃/20min钎焊条件下获得的TC4/ZrTiCuNiCo/TC4钎焊接头的界面组织图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式明适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料由10～20wt.％的Ti，2～8wt.％的Cu，5～15wt.％的Ni，2～8wt.％的Co和余量的Zr组成，适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的液相线温度为750～800℃。
1、本实施方式适用于钛合金钎焊的低溶蚀、高强锆基钎料的由于具有较低的熔点，因而可以在较低的温度下焊接。根据Fick定律，温度越低，元素扩散速度越慢。较低的钎焊温度会降低原子的扩散速率，这可以减轻钎料与母材的反应。这有利于能够减轻钎焊过程中的母材溶蚀现象，特别是焊接母材较薄的薄壁结构件时，具有接头强度高、溶蚀程度低等优势。
2、本实施方式中，Zr为钎料的主要元素，这使得钎料具有较好的强度，有利于得到具有较好的力学性能的钎焊接头。同时Zr与母材中的Ti元素化学性质相近，这使钎料与母材具有良好的润湿性和冶金结合性。Ti可降低Zr基钎料的熔点，并提高钎料与母材的润湿性能。由于Zr元素具有较好的耐蚀性能，因而将Zr作为钎料的主要元素，可使接头具有较好的耐蚀性能。Cu、Ni、Co这三种元素的均可以Zr发生共晶反应生成低熔点化合物，可大幅降低锆基钎料的熔点。使可以在较低温度下进行钎焊。
3、本实施方式用于焊接钛合金的锆基钎料为箔片或者膏状粉末，成分均匀、便于装配，且能较好的控制钎缝宽度，是理想的钎料材料，更适合投入实际生产。
4、本实施方式低溶蚀高强锆基钎料具有较低的熔点，可以在较低温度下对目前进行钎焊，主要是利用低温来减弱元素的扩散，从而减弱钎料中降熔元素对母材的溶解，钎焊温度较低。这与专利CN116275695A公开的高熵钎料利用高熵合金的迟滞扩散效应抑制元素的扩散进行减弱钎料中降熔元素(Cu、Ni等)对母材的溶解作用的原理完全不同，并且高熵钎料的钎焊温度高于本申请。
具体实施方式二：本实施方式适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按质量分数Ti：10～20wt.％，Cu：2～8wt.％，Ni：5～15wt.％，Co：2～8wt.％和余量为Zr称取原料；所述原料为Zr、Ti、Cu、Ni和Co的纯金属锭或中间合金锭；
步骤二：将步骤一称取的原料进行熔炼，得到钎料铸锭；
步骤三：将步骤二中获取的钎料铸锭通过单辊旋淬法制备成非晶态钎料箔材；或通过气雾化法或研磨法制备成粉末，并将粉末与粘结剂混合制成膏状钎料。
1、本实施方式适用于钛合金钎焊的低溶蚀、高强锆基钎料的由于具有较低的熔点，因而可以在较低的温度下焊接。根据Fick定律，温度越低，元素扩散速度越慢。较低的钎焊温度会降低原子的扩散速率，这可以减轻钎料与母材的反应。这有利于能够减轻钎焊过程中的母材溶蚀现象，特别是焊接母材较薄的薄壁结构件时，具有接头强度高、溶蚀程度低等优势。
2、本实施方式中，Zr为钎料的主要元素，这使得钎料具有较好的强度，有利于得到具有较好的力学性能的钎焊接头。同时Zr与母材中的Ti元素化学性质相近，这使钎料与母材具有良好的润湿性和冶金结合性。Ti可降低Zr基钎料的熔点，并提高钎料与母材的润湿性能。由于Zr元素具有较好的耐蚀性能，因而将Zr作为钎料的主要元素，可使接头具有较好的耐蚀性能。Cu、Ni、Co这三种元素的均可以Zr发生共晶反应生成低熔点化合物，可大幅降低锆基钎料的熔点。使可以在较低温度下进行钎焊。
3、本实施方式用于焊接钛合金的锆基钎料为箔片或者膏状粉末，成分均匀、便于装配，且能较好的控制钎缝宽度，是理想的钎料材料，更适合投入实际生产。
4、本实施方式低溶蚀高强锆基钎料具有较低的熔点，可以在较低温度下对目前进行钎焊，主要是利用低温来减弱元素的扩散，从而减弱钎料中降熔元素对母材的溶解，钎焊温度较低。这与专利CN116275695A公开的高熵钎料利用高熵合金的迟滞扩散效应抑制元素的扩散进行减弱钎料中降熔元素(Cu、Ni等)对母材的溶解作用的原理完全不同，并且高熵钎料的钎焊温度高于本申请。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二所述熔炼在电弧熔炼炉或感应熔炼炉中进行。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二所述熔炼的气氛为真空或惰性气体保护气氛。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二所述熔炼的具体工艺为：将原料加热到950℃以上。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤三所述单辊旋淬法制备的非晶态钎料箔材的厚度为30～100μm。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤三所述气雾化法制备成的粉末的粒径为10～80μm；步骤三所述研磨法制备成的粉末的粒径为15～75μm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤三所述粘结剂为羧甲基纤维素溶液，粘结剂为粉末质量的3～10％。
具体实施方式九：本实施方式利用适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法按照以下步骤进行：
将待焊接合金的待焊表面打磨去除表面油污和氧化物，将非晶态钎料箔材或膏状钎料置于焊接合金的待焊表面之间得到待焊件，将待焊件放入钎焊炉中，进行钎焊；
所述钎焊的工艺为：开始以10℃/min的速度加热到840～920℃并保温10～20min，然后以10℃/min的速度降温到190～210℃，取出工件，完成钛合金的钎焊。
1、本实施方式适用于钛合金钎焊的低溶蚀、高强锆基钎料的由于具有较低的熔点，因而可以在较低的温度下焊接。根据Fick定律，温度越低，元素扩散速度越慢。较低的钎焊温度会降低原子的扩散速率，这可以减轻钎料与母材的反应。这有利于能够减轻钎焊过程中的母材溶蚀现象，特别是焊接母材较薄的薄壁结构件时，具有接头强度高、溶蚀程度低等优势。
2、本实施方式中，Zr为钎料的主要元素，这使得钎料具有较好的强度，有利于得到具有较好的力学性能的钎焊接头。同时Zr与母材中的Ti元素化学性质相近，这使钎料与母材具有良好的润湿性和冶金结合性。Ti可降低Zr基钎料的熔点，并提高钎料与母材的润湿性能。由于Zr元素具有较好的耐蚀性能，因而将Zr作为钎料的主要元素，可使接头具有较好的耐蚀性能。Cu、Ni、Co这三种元素的均可以Zr发生共晶反应生成低熔点化合物，可大幅降低锆基钎料的熔点。使可以在较低温度下进行钎焊。
3、本实施方式用于焊接钛合金的锆基钎料为箔片或者膏状粉末，成分均匀、便于装配，且能较好的控制钎缝宽度，是理想的钎料材料，更适合投入实际生产。
4、本实施方式采用真空钎焊或者在保护气的环境下进行钎焊，可以消除焊接环境中的空气、水蒸气等对焊接接头性性能的不利影响，减少接头处氧化物的生成，获得性能优异的钎焊接头。
5、本实施方式低溶蚀高强锆基钎料具有较低的熔点，可以在较低温度下对目前进行钎焊，主要是利用低温来减弱元素的扩散，从而减弱钎料中降熔元素对母材的溶解，钎焊温度较低。这与专利CN116275695A公开的高熵钎料利用高熵合金的迟滞扩散效应抑制元素的扩散进行减弱钎料中降熔元素(Cu、Ni等)对母材的溶解作用的原理完全不同，并且高熵钎料的钎焊温度高于本申请。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述钎焊炉中的气氛为真空或保护气份，所述保护气份为Ar气份。
实施例1：
本实施例适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按质量分数Zr：64wt.％，Ti：16wt.％，Cu：6wt.％，Ni：8wt.％，Co：6wt.％称取原料；所述原料为Zr、Ti、Cu、Ni和Co的纯金属锭；
步骤二：将步骤一称取的原料进行熔炼，得到钎料铸锭；
所述熔炼在电弧熔炼炉或感应熔炼炉中进行；
所述熔炼的气氛为真空；
所述熔炼的具体工艺参数为：将原料加热到970℃。
步骤三：将步骤二中获取的钎料铸锭通过单辊旋淬法制备成非晶态钎料箔材；所述单辊旋淬法制备的非晶态钎料箔材的厚度为50μm；
利用上述适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法按照以下步骤进行：将待焊接合金TC4的待焊表面打磨去除表面油污和氧化物，将非晶态钎料箔材或膏状钎料置于焊接合金的待焊表面之间得到待焊件，将待焊件放入钎焊炉中，Ar气份下进行钎焊；所述钎焊的工艺为：开始以10℃/min的速度加热到880℃并保温20min，然后以10℃/min的速度降温到200℃，取出工件，完成钛合金的钎焊，得到的TC4/ZrTiCuNiCo/TC4钎焊接头如图1所示，图1能够说明本实施例中的钎料可以获得冶金结合良好的接头，而且母材界面平直，钎料对母材的溶蚀较轻。实施例1得到的钎焊接头的剪切强度为372MPa。
实施例2：
本实施例适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法按照以下步骤进行：
本实施例适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按质量分数Zr：64wt.％，Ti：16wt.％，Cu：6wt.％，Ni：8wt.％，Co：6wt.％称取原料；所述原料为Zr、Ti、Cu、Ni和Co的纯金属锭；
步骤二：将步骤一称取的原料进行熔炼，得到钎料铸锭；
所述熔炼在电弧熔炼炉或感应熔炼炉中进行；
所述熔炼的气氛为真空；
所述熔炼的具体工艺参数为：将原料加热到970℃。
步骤三：将步骤二中获取的钎料铸锭通过研磨法制备成粉末并与粘结剂混合制成膏状钎料；所述研磨法制备成的粉末的粒径为15～75μm；粘结剂为粉末质量的7％；所述粘结剂为羧甲基纤维素溶液的浓度为10wt％；
利用上述适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法按照以下步骤进行：将待焊接合金(TC4钛合金)的待焊表面打磨去除表面油污和氧化物，将非晶态钎料箔材或膏状钎料置于焊接合金的待焊表面之间得到待焊件，将待焊件放入钎焊炉中，Ar气份下进行钎焊；所述钎焊的工艺为：开始以10℃/min的速度加热到900℃并保温10min，然后以10℃/min的速度降温到200℃，取出工件，完成钛合金的钎焊。实施例2得到的钎焊接头的剪切强度为384MPa。
Claims (10)
1.一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料，其特征在于：适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料由10～20wt.％的Ti，2～8wt.％的Cu，5～15wt.％的Ni，2～8wt.％的Co和余量的Zr组成，适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的液相线温度为750～800℃。
2.如权利要求1所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按质量分数Ti：10～20wt.％，Cu：2～8wt.％，Ni：5～15wt.％，Co：2～8wt.％和余量为Zr称取原料；所述原料为Zr、Ti、Cu、Ni和Co的纯金属锭或中间合金锭；
步骤二：将步骤一称取的原料进行熔炼，得到钎料铸锭；
步骤三：将步骤二中获取的钎料铸锭通过单辊旋淬法制备成非晶态钎料箔材；或通过气雾化法或研磨法制备成粉末，并将粉末与粘结剂混合制成膏状钎料。
3.根据权利要求2所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：步骤二所述熔炼在电弧熔炼炉或感应熔炼炉中进行。
4.根据权利要求2所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：步骤二所述熔炼的气氛为真空或惰性气体保护气氛。
5.根据权利要求2所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：步骤二所述熔炼的具体工艺为：将原料加热到950℃以上。
6.根据权利要求2所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：步骤三所述单辊旋淬法制备的非晶态钎料箔材的厚度为30～100μm。
7.根据权利要求2所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：步骤三所述气雾化法制备成的粉末的粒径为10～80μm；步骤三所述研磨法制备成的粉末的粒径为15～75μm。
8.根据权利要求2所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料的制备方法，其特征在于：步骤三所述粘结剂为羧甲基纤维素溶液，粘结剂为粉末质量的3～10％。
9.利用权利要求1所述的适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于：利用适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法按照以下步骤进行：
将待焊接合金的待焊表面打磨去除表面油污和氧化物，将非晶态钎料箔材或膏状钎料置于焊接合金的待焊表面之间得到待焊件，将待焊件放入钎焊炉中，进行钎焊；
所述钎焊的工艺为：开始以10℃/min的速度加热到840～920℃并保温10～20min，然后以10℃/min的速度降温到190～210℃，取出工件，完成钛合金的钎焊。
10.根据权利要求9所述的利用适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料钎焊钛合金的方法，其特征在于：所述钎焊炉中的气氛为真空或保护气份，所述保护气份为Ar气份。
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|---|---|---|---|
| CN202311397447.2A CN117300438A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202311397447.2A CN117300438A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种适用于钛合金钎焊的低溶蚀高强锆基钎料及其制备方法和应用 |
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