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

摘要

本发明属于钎焊技术，涉及对用于钛合金钎焊和Ti2AlNb合金钎焊的钎料的改进。本发明带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：5%～7%；Cu：14%～15%；Ni：14%～15%；余量为Ti。本发明带状钎料的制备步骤是：按比例称取原料粉末；真空冶炼；制备带状钎料。使用本发明带状钎料的焊接方法是：清洁待焊零件的待钎焊表面；定位带状钎料；零件装配；零件钎焊；冷却。本发明能避免焊接界面易形成金属间化合物，提高了钎焊接头的强度。

说明书

技术领域

本发明属于钎焊技术，涉及对用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的钎料 的改进。

背景技术

钛合金钎焊构件在航空航天领域已得到广泛应用，如钛合金钎焊蜂窝壁 板结构在飞机机翼、尾翼、后机身侧壁、发动机舱门等部位都有所应用。Ti₂AlNb 合金是新型耐高温结构材料，属于金属间化合物，具有低密度、高强度、高 刚度的性能特征，该材料的焊接构件在高推重比的发动机内有望代替传统高 温合金，起到结构减重的作用。构件的钎焊质量是构件使用性能的关键影响 因素之一。目前，钛合金的钎焊材料（以下简称钎料）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。据报道，钎焊Ti₂AlNb合金用的 钎料为Ti基和Ti-Zr基钎料。

目前，Ti基和Ti-Zr基钎料的缺点是：采用这两种钎料进行钛合金钎焊 和Ti₂AlNb合金钎焊时，焊接界面易形成金属间化合物，且在后续焊后热处理 中金属间化合物难以去除，因此导致了钎焊接头强度较低。

发明内容

本发明的目的是：提出一种适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带状 钎料及制备方法，以避免焊接界面易形成金属间化合物，提高钎焊接头的强 度。

本发明的技术方案是：适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带状钎 料，其特征在于：该带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：5%～7%；Cu： 14%～15%；Ni：14%～15%；余量为Ti。

如上面所述的适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带状钎料的制备 方法，其特征在于：制备的步骤如下：

1、备料：按比例称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti原料粉末，原料的纯度不 小于99.9%，原料的粒度不低于40目；

2、真空冶炼：采用真空感应炉将原料粉末进行熔炼，熔炼温度为1700℃～ 2000℃，保温时间0.5h～1h，然后浇铸成铸锭，空冷到室温；反复熔炼3次；

3、制备带状钎料：采用真空快淬甩带机上的真空感应炉将铸锭熔化，熔 化温度为1700℃～2000℃，然后制成非晶态带状钎料，带状钎料的厚度δ =0.03mm～0.05mm。

使用如上面所述的适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带状钎料进 行钎焊的方法，其特征在于：钎焊的步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙不大于0.1mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：915℃～930℃，保温时间2h～4h，真空度为10^-3Pa～10^-5Pa； 钎焊Ti₂AlNb合金时，加热温度为：950℃～960℃，保温时间2h～4h，真空 度为10^-3Pa～10^-5Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温。

本发明的优点是：提出了一种适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带 状钎料及制备方法，能避免焊接界面易形成金属间化合物，提高了钎焊接头 的强度。

附图说明

图1是本发明的实施例1焊接TC4钛合金的焊接界面组织照片。

图2是对比例1采用目前的Ti-Zr基钎料焊接TC4钛合金的焊接界面组 织照片。

图3是本发明的实施例3焊接Ti₂AlNb合金的焊接界面组织照片。

图4是对比例2采用目前的Ti-Zr基钎料焊接Ti₂AlNb合金的焊接界面组 织照片。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊 的带状钎料，其特征在于：该带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：5%～ 7%；Cu：14%～15%；Ni：14%～15%；余量为Ti。

如上面所述的适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带状钎料的制备 方法，其特征在于：制备的步骤如下：

1、备料：按比例称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti原料粉末，原料的纯度不 小于99.9%，原料的粒度不低于40目；

2、真空冶炼：采用真空感应炉将原料粉末进行熔炼，熔炼温度为1700℃～ 2000℃，保温时间0.5h～1h，然后浇铸成铸锭，空冷到室温；反复熔炼3次；

3、制备带状钎料：采用真空快淬甩带机上的真空感应炉将铸锭熔化，熔 化温度为1700℃～2000℃，然后制成非晶态带状钎料，带状钎料的厚度δ =0.03mm～0.05mm。

使用如上面所述的适用于钛合金钎焊和Ti₂AlNb合金钎焊的带状钎料进 行钎焊的方法，其特征在于：钎焊的步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙不大于0.1mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：915℃～930℃，保温时间15min～4h，真空度为10^-3Pa～10^-5Pa； 钎焊Ti₂AlNb合金时，加热温度为：950℃～960℃，保温时间15min～2h，真 空度为10^-3Pa～10^-5Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温。

本发明的工作原理是：本发明主要利用Zr元素在钎料中的作用，当Zr 元素含量适当时，在Ti-Zr基钎料中Zr元素一方面起到降低钎料熔点的作用， 另一方面，Zr元素对钎料具有最佳的固溶强化作用。

实施例1

1、备料：带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：5%；Cu：15%；Ni： 15%；余量为Ti。按比例称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti原料粉末，原料的纯度 不小于99.9%，原料的粒度不低于40目；

2、真空冶炼：采用真空感应炉将原料粉末进行熔炼，熔炼温度为1700℃， 保温时间0.5h，然后浇铸成铸锭，空冷到室温；反复熔炼3次；

3、制备带状钎料：采用真空快淬甩带机上的真空感应炉将铸锭熔化，熔 化温度为1700℃，然后制成非晶态带状钎料，带状钎料的厚度δ=0.05mm。

使用如上面所述带状钎料进行TC4钛合金钎焊的方法，其特征在于：钎 焊的步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙为0.05mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：930℃，保温时间4h，真空度为10^-3Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温；

6、强度测试：将以上焊接好的TC4合金加工为标准的室温拉伸试样，然 后测试试样的抗拉强度，平均强度为887MPa。

对比例1，现有Ti-Zr钎料的化学成份重量百分比为：Zr：37%；Cu：15%； Ni：10%；余量为Ti。采用该钎料进行TC4钛合金的钎焊步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙为0.05mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：930℃，保温时间15min，真空度为10^-3Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温；

6、强度测试：将以上焊接好的TC4合金加工为标准的室温拉伸试样，然 后测试试样的抗拉强度，平均强度为840MPa。

图1和图2分别为使用本发明的钎料及现有钎料的TC4钛合金钎焊界面 组织。

实施例2

1、备料：带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：6%；Cu：14%；Ni： 15%；余量为Ti。按比例称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti原料粉末，原料的纯度 不小于99.9%，原料的粒度不低于40目；

2、真空冶炼：采用真空感应炉将原料粉末进行熔炼，熔炼温度为1800℃， 保温时间0.8h，然后浇铸成铸锭，空冷到室温；反复熔炼3次；

3、制备带状钎料：采用真空快淬甩带机上的真空感应炉将铸锭熔化，熔 化温度为1750℃，然后制成非晶态带状钎料，带状钎料的厚度δ=0.04mm。

使用如上面所述带状钎料进行TA18钛合金钎焊的方法，其特征在于：钎 焊的步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙为0.06mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：920℃，保温时间2h，真空度为10^-5Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温。

实施例3

1、备料：带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：7%；Cu：15%；Ni： 14%；余量为Ti。按比例称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti原料粉末，原料的纯度 不小于99.9%，原料的粒度不低于40目；

2、真空冶炼：采用真空感应炉将原料粉末进行熔炼，熔炼温度为1700℃， 保温时间1h，然后浇铸成铸锭，空冷到室温；反复熔炼3次；

3、制备带状钎料：采用真空快淬甩带机上的真空感应炉将铸锭熔化，熔 化温度为1800℃，然后制成非晶态带状钎料，带状钎料的厚度δ=0.03mm。

使用如上面所述带状钎料进行Ti₂AlNb合金钎焊的方法，其特征在于：钎 焊的步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙为0.06mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：950℃，保温时间120min，真空度为10^-5Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温。

6、强度测试：将以上焊接好的TC4合金加工为标准的室温拉伸试样，然 后测试试样的抗拉强度，平均强度为885MPa。

对比例2，现有Ti-Zr钎料的化学成份重量百分比为：Zr：37%；Cu：15%； Ni：10%；余量为Ti。采用该钎料进行Ti₂AlNb合金的钎焊步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙为0.05mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：930℃，保温时间15min，真空度为10^-3Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温；

6、强度测试：将以上焊接好的Ti₂AlNb合金加工为标准的室温拉伸试样， 然后测试试样的抗拉强度，平均强度为312MPa。

图3和图4分别为使用本发明的钎料及现有钎料的Ti₂AlNb合金钎焊界面 组织。

实施例4

1、备料：带状钎料化学成份的重量百分比为：Zr：7%；Cu：15%；Ni： 15%；余量为Ti。按比例称取所需的Zr、Cu、Ni和Ti原料粉末，原料的纯度 不小于99.9%，原料的粒度不低于40目；

2、真空冶炼：采用真空感应炉将原料粉末进行熔炼，熔炼温度为1800℃， 保温时间1h，然后浇铸成铸锭，空冷到室温；反复熔炼3次；

3、制备带状钎料：采用真空快淬甩带机上的真空感应炉将铸锭熔化，熔 化温度为1800℃，然后制成非晶态带状钎料，带状钎料的厚度δ=0.05mm。

使用如上面所述带状钎料进行Ti₂AlNb金钎焊的方法，其特征在于：钎焊 的步骤如下：

1、清洁待焊零件的待钎焊表面；

2、定位带状钎料：将一层带状钎料铺在一个待焊零件的待钎焊表面，通 过点焊方法将带状钎料定位在待钎焊表面上；

3、零件装配：通过夹具将另一个待焊零件的待钎焊表面与铺好带状钎料 待焊零件的待钎焊表面贴合，两个待钎焊表面之间的间隙为0.06mm；

4、零件钎焊：将装配好的两个待焊零件放入真空钎焊炉内，钎焊钛合金 时，加热温度为：960℃，保温时间30min，真空度为10^-5Pa；

5、冷却：钎焊后随炉冷却到室温。