焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料及钎焊的方法

摘要

焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料及钎焊的方法，它涉及钎料及其钎焊方法。本发明解决了现有的焊接复合材料与钛合金的银基钎料焊接接头使用温度低、碳/碳化硅复合材料与金属间接钎焊方法的工艺复杂的问题。本发明的钎料由钛材料粉、镍粉和硼粉组成。方法：将钎料球磨并制成膏状涂覆在碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的连接待焊面上，将待焊件置于真空加热炉中加热保温，完成焊接。本发明焊接的接头室温抗剪强度40MPa～105MPa，600℃时的抗剪强度30MPa～70MPa，使用温度≥600℃，钎焊过程简单，焊接效率高。可用于碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金或钛铝基合金件之间的焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及钎料及其钎焊方法。

背景技术

碳/碳化硅陶瓷基复合材料是一种新型超高温结构材料，在航空航天、武器装备及其它工业领域具有广泛的应用前景。但是碳/碳化硅陶瓷基复合材料的制备和成形方法限制了其工程应用的推广，因此解决它与其它材料特别是高温结构材料的连接技术是保证其在上述领域中得到广泛应用的关键。钛铝基合金是具有诸多优越性能的高温结构材料，将它与碳/碳化硅复合材料连接使用，既可以满足高温性能的要求，又可实现制造复杂构件的可能性。现有的焊接复合材料与钛合金(主要是TC4)的钎料主要是银基钎料，用该钎料制备的接头使用温度不超过500℃；碳/碳、碳/碳化硅复合材料与金属的间接钎焊方法需是先用物理气相沉积或化学气相沉积法在复合材料表面制备双金属薄膜，再对具有表面薄膜的复合材料进行真空热处理，然后在薄膜表面涂布烧结梯度过渡层，最后利用过渡层对复合材料与金属进行真空钎焊，该方法由于涉及多个真空过程，工艺复杂。

发明内容

本发明是为了解决现有的焊接复合材料与钛合金的银基钎料焊接的接头使用温度低、碳/碳化硅复合材料与金属间接钎焊方法的工艺复杂的问题，而提供焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料及钎焊的方法。

本发明的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料是由按质量份数比100份的钛材料粉、65份～185份的镍粉和1.6份～11.5份的硼粉组成的；所述的钛材料粉为钛粉或二氢化钛粉。

所述的镍粉、钛粉、二氢化钛粉或硼粉的细度为200目～400目。

利用上述的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料钎焊的方法按以下步骤进行：一、将按质量份数比100份的钛材料粉、65份～185份的镍粉和1.6份～11.5份的硼粉加入到行星式球磨机中，在转速为100转/分～300转/分的条件下球磨0.5h～2h，得到钎料；二、将钛铝基合金的待焊面先用600号的水砂纸打磨，然后将待焊的碳/碳化硅复合材料和钛铝基合金放在丙酮中超声清洗5min～10min，取出后用吹风机吹干；三、将钎料用丙三醇混合成膏状，并将膏状钎料均匀涂覆在钛铝基合金的待焊连接面上，再将碳/碳化硅复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中膏状钎料涂覆层的厚度为200μm～600μm；四、将待焊件放入真空加热炉中，在待焊件上施加0.001MPa～0.1MPa的压力固定焊件，然后在真空度为1×10^-3Pa～6×10^-3Pa的条件下程序升温至1150℃～1240℃并保温5min～30min，然后以5℃/min～10℃/min的速度降温到300℃～500℃，最后随炉冷却至室温；步骤一中所述的钛材料粉为钛粉或二氢化钛粉。

步骤四中所述的程序升温是按以下步骤进行的：以20℃/min～30℃/min的速度升温至400℃～1100℃保持10min～20min，然后再以10℃/min～20/min升温至1150℃～1240℃。

步骤四中所述的程序升温也可以是按以下步骤进行的：以20℃/min～30℃/min的速度升温至1150℃～1240℃。

碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的物理化学性能差异较大，而且在连接过程中，钛铝基合金与融化的钎料发生相互扩散溶解，使得钎料的成分难以控制，本发明焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料以较高的升温和降温速率将碳/碳化硅复合材料与钛铝基合金连接在一起，升温过程中，钛和镍形成反应液相，此时硼元素首先与液相中的钛原位反应形成热膨胀系数小的钛硼化合物，此步反应延缓碳/碳化硅复合材料侧TiC反应层的形成，控制了TiC反应层的厚度。保温过程中钛铝基合金中的Ti、Al元素向反应液相中溶解扩散，形成Ni-Ti-Al三元合金，合金中靠近碳/碳化硅侧的Ti与碳/碳化硅反应形成TiC反应层，实现冶金结合，同时Ni-Ti-Al三元合金液相在毛细作用下向碳/碳化硅母材的孔隙中渗入，冷却凝固后孔隙中的合金对碳/碳化硅形成钉扎，上述原位反应形成热膨胀系数小的钛硼化合物也降低了接头的残余应力，获得较高的连接强度使碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金直接原位复合反应钎焊连接，焊接强度高，接头室温抗剪强度达到40MPa～105MPa，600℃时的抗剪强度为30MPa～70MPa，使用温度≥600℃，钎焊工艺过程简单，焊接生产效率高。

附图说明

图1是具体实施方式二十一制备的接头焊缝的扫描电镜图：图2是具体实施方式二十一制备的接头的钛铝基合金与焊缝连接处的扫描电镜图；图3是具体实施方式二十一制备的接头的焊缝与碳/碳化硅陶瓷基复合材料连接处的扫描电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料是由按质量份数比100份的钛材料粉、65份～185份的镍粉和1.6份～11.5份的硼粉组成的；所述的钛材料粉为钛粉或二氢化钛粉。

本实施方式的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料使碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金直接原位复合反应钎焊连接，焊接强度高，接头室温抗剪强度达到40MPa～105MPa，600℃时的抗剪强度达到30MPa～70MPa，使用温度高于600℃。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的镍粉、钛粉、二氢化钛粉或硼粉的细度为200目～400目。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的镍粉、钛粉、二氢化钛粉或硼粉的细度为300目。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料由按质量份数比100份的钛材料粉、70份～160份的镍粉和2份～10份的硼粉组成的。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料由按质量份数比100份的钛粉、100份的镍粉和5份的硼粉组成的。

本实施方式的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料使碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金直接原位复合反应钎焊连接，焊接强度高，接头室温抗剪强度达到100MPa，600℃时的抗剪强度达到40MPa，使用温度高于600℃。

具体实施方式六：本实施方式的利用具体实施方式一所述的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料钎焊的方法按以下步骤进行：一、将按质量份数比100份的钛材料粉、65份～185份的镍粉和1.6份～11.5份的硼粉加入到行星式球磨机中，在转速为100转/分～300转/分的条件下球磨0.5h～2h，得到钎料；二、将钛铝基合金的待焊面先用600号的水砂纸打磨，然后将待焊的碳/碳化硅复合材料和钛铝基合金放在丙酮中超声清洗5～10min，取出后用吹风机吹干；三、将钎料用丙三醇混合成膏状，并将膏状钎料均匀涂覆在钛铝基合金的待焊连接面上，再将碳/碳化硅复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中膏状钎料涂覆层的厚度为200μm～600μm；四、将待焊件放入真空加热炉中，在待焊件上施加0.001MPa～0.1MPa的压力固定焊件，然后在真空度为1×10^-3Pa～6×10^-3Pa的条件下程序升温至1150℃～1240℃并保温5min～30min，然后以5℃/min～10℃/min的速度降温到300℃～500℃，最后随炉冷却至室温；步骤一中所述的钛材料粉为钛粉或二氢化钛粉。

本实施方式的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料以较高的升温和降温速率将碳/碳化硅复合材料与钛铝基合金连接在一起，升温过程中，钛和镍形成反应液相，此时硼元素首先与液相中的钛原位反应形成热膨胀系数小的钛硼化合物，此步反应延缓碳/碳化硅复合材料侧TiC反应层的形成，控制了TiC反应层的厚度。保温过程中钛铝基合金中的Ti、Al元素向反应液相中溶解扩散，形成Ni-Ti-Al三元合金，合金中靠近碳/碳化硅侧的Ti与碳/碳化硅反应形成TiC反应层，实现冶金结合，同时Ni-Ti-Al三元合金液相在毛细作用下向碳/碳化硅母材的孔隙中渗入，冷却凝固后孔隙中的合金对碳/碳化硅形成钉轧，上述原位反应形成热膨胀系数小的钛硼化合物也降低了接头的残余应力，获得较高的连接强度使碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金直接原位复合反应钎焊连接，焊接强度高，接头室温抗剪强度达到40MPa～105MPa，600℃时的抗剪强度为30MPa～70MPa，使用温度≥600℃，钎焊工艺过程简单，焊接生产效率高。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中钎料在行星式球磨机中，在转速为120转/分～280转/分的条件下球磨0.8h～1.8h。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤一中钎料在行星式球磨机中，在转速为220转/分的条件下球磨1.3h。其它与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八不同的是：步骤二中将待焊的碳/碳化硅复合材料和钛铝基合金放在丙酮中超声清洗6min～9min。其它与具体实施方式六至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九不同的是：步骤二中将待焊的碳/碳化硅复合材料和钛铝基合金放在丙酮中超声清洗8min。其它与具体实施方式六至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十不同的是：步骤三中膏状钎料涂覆层的厚度为300μm～550μm。其它与具体实施方式六至十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一不同的是：步骤三中膏状钎料涂覆层的厚度为400μm。其它与具体实施方式六至十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六至十二不同的是：步骤四中的真空度为2×10^-3Pa～5×10^-3Pa。其它与具体实施方式六至十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六至十三不同的是：步骤四中的真空度为4×10^-3Pa。其它与具体实施方式六至十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式六至十四不同的是：步骤四中所述的程序升温是按以下步骤进行的：以20℃/min～30℃/min的速度升温至400～1100℃保持10min～20min，然后再以10℃/min～20℃/min升温至1150℃～1240℃。其它与具体实施方式六至十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式六至十五不同的是：步骤四中所述的程序升温是按以下步骤进行的：以25℃/min的速度升温至700℃保持15min，然后再以15℃/min升温至1200℃。其它与具体实施方式六至十五相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式六至十六不同的是：步骤四中所述的程序升温是按以下步骤进行的：以20℃/min～30℃/min的速度升温至1150℃～1240℃。其它与具体实施方式六至十六相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式六至十七不同的是：步骤四中所述的程序升温是按以下步骤进行的：以25℃/min的速度升温至1200℃。其它与具体实施方式六至十七相同。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式六至十八不同的是：步骤四中程序升温至1180℃～1220℃并保温10min～25min，然后以6℃/min～9℃/min的速度降温到350℃～450℃，最后随炉冷却至室温。其它与具体实施方式六至十八相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式六至十九不同的是：步骤四中程序升温至1200℃并保温15min，然后以8℃/min的速度降温到400℃，最后随炉冷却至室温。其它与具体实施方式六至十九相同。

具体实施方式二十一：  (参见图1、图2、图3)本实施方式的利用焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料钎焊的方法按以下步骤进行：一、将按质量份数比100份的钛粉、185份的镍粉和11.5份的硼粉加入到行星式球磨机中，在转速为100转/分的条件下球磨0.5h；二、将钛铝基合金的待焊面先用600号的水砂纸打磨，然后将待焊的碳/碳化硅复合材料和钛铝基合金放在丙酮中超声清洗6min，取出后用吹风机吹干；三、将经步骤一处理的钎料用丙三醇混合成膏状，并将膏状钎料均匀涂覆在钛铝基合金的待焊连接面上，再将碳/碳化硅复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中膏状钎料涂覆层的厚度为600μm；四、将待焊件放入真空加热炉中，在待焊件上施加0.01MPa的压力固定焊件，然后在真空度为4×10^-3Pa的条件下以20℃/min的速度升温至1100℃并保温10min，然后以10℃/min的速度升温至1200℃并保温10min，再以10℃/min的速度降温到300℃～500℃，最后随炉冷却至室温。

本实施方式的焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料以较高的升温和降温速率将碳/碳化硅复合材料与钛铝基合金连接在一起，升温过程中，钛和镍形成反应液相，此时硼元素首先与液相中的钛原位反应形成热膨胀系数小的钛硼化合物，此步反应延缓碳/碳化硅复合材料侧TiC反应层的形成，控制了TiC反应层的厚度。保温过程中钛铝基合金中的Ti、Al元素向反应液相中溶解扩散，形成Ni-Ti-Al三元合金，合金中靠近碳/碳化硅侧的Ti与碳/碳化硅反应形成TiC反应层，实现冶金结合，同时Ni-Ti-Al三元合金液相在毛细作用下向碳/碳化硅母材的孔隙中渗入，冷却凝固后孔隙中的合金对碳/碳化硅形成钉扎，上述原位反应形成热膨胀系数小的钛硼化合物也降低了接头的残余应力，获得较高的连接强度使碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金直接原位复合反应钎焊连接，焊接强度高，接头室温抗剪强度为90MPa，600℃时的抗剪强度为50MPa，使用温度≥600℃，钎焊工艺过程简单，焊接生产效率高。

具体实施方式二十二：本实施方式的利用焊接碳/碳化硅陶瓷基复合材料与钛铝基合金的钎料钎焊的方法按以下步骤进行：一、将按质量份数比100份的二氢化钛粉、122份的镍粉和6份的硼粉加入到行星式球磨机中，在转速为300转/分的条件下球磨2h；二、将钛铝基合金的待焊面先用600目的水砂纸打磨，然后将待焊的碳/碳化硅复合材料和钛铝基合金放在丙酮中超声清洗6min，取出后用吹风机吹干；三、将经步骤一处理的钎料用丙三醇混合成膏状，并将膏状钎料均匀涂覆在钛铝基合金的待焊连接面上，再将碳/碳化硅复合材料置于涂覆层上，组成待焊件，其中膏状钎料涂覆层的厚度为500μm；四、将待焊件放入真空加热炉中，在待焊件上施加0.01MPa的压力固定焊件，然后在真空度为3×10^-3Pa的条件下以20℃/min的速度升温至600℃并保温10min，然后以10℃/min的速度升温至1180℃并保温20min，再以10℃/min的速度降温到300℃～500℃，最后随炉冷却至室温。

本实施方式的焊接接头，室温抗剪强度为85MPa，600℃时的抗剪强度为70 MPa，使用温度≥600℃，钎焊工艺过程简单，焊接生产效率高。