TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法

摘要

本发明公开了一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法，特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料，步骤如下：按质量百分比称取Ni丝（箔）和Ti丝（箔）制成箔片钎料；对母材TZM和ZrC/W的待焊部位打磨处理；依次用丙酮和乙醇溶液对箔片钎料和钎焊母材进行超声清洗；将箔片钎料置于TZM合金与ZrC/W复合材料之间，组成待焊组件，将其放于真空钎焊炉中，抽真空到5.0×10-3Pa并加热升温钎焊，本发明中使用的钎料不含贵重金属，材料广泛，经济适用，制作方法简单，获得的TZM合金与ZrC/W复合材料钎焊接头的平均剪切强度不低于111MPa，具有很好的推广价值。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及高温钎焊材料及其制备方法，它适用于TZM合金与ZrC/W复合材料的真空钎焊。

背景技术

TZM为含0.5%Ti与0.08%Zr（wt.%）的钼合金，具有熔点高、强度大、弹性模量高、线膨胀系数小、蒸气压低、导电导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能良好等特点，广泛应用于军事工业、航天航空及核电领域，如鱼雷发动机中的配气阀体、火箭喷嘴、燃气管道、喷管喉衬以及核能源设备上的辐射罩、支撑架、热交换器、轨条等。

ZrC-W为ZrC颗粒增强钨基复合材料，具有优异的高温力学性能、热物理性能、抗热震和耐烧蚀性能，在超高温材料领域具有广阔的应用空间，可应用于固体火箭发动机喉衬、发射器外壳涂层、耐高温模具和卡具及热阴极发射材料等。但是，ZrC/W复合材料机械加工困难，不易加工成形状复杂的部件，限制其在实际工程中的广泛应用。因此，实现它们自身或与其他材料的连接具有重要的应用价值。将TZM合金与ZrC-W复合材料进行连接，可以提高加工效率、降低加工成本、拓宽两种材料的使用范围。然而，TZM及ZrC/W复合材料熔点较高，难以形成液相，普通的熔化焊，如TIG、MIG、激光焊、电子束焊等方法很难适应TZM与ZrC/W复合材料的连接。钎焊是异种材料连接的常用方法，金属与陶瓷材料进行钎焊时，钎料中常含有活性元素（如Ti、Zr、Nb、Hf、Ta等）。

本申请人进行检索，相关论文文献中，有四川大学徐庆元等人采用Ti基合金进行TZM合金与石墨钎焊研究的报道，哈尔滨工业大学宋昌宝等人采用TiNi钎料钎焊连接ZrC-SiC复合陶瓷接头的报道，在已公开的论文文献和专利文献中，未见有关于TZM合金与ZrC/W复合材料之间自身或两种材料之间进行连接的相关专利报道。。

由于TZM合金与ZrC/W复合材料都属于高温材料，可应用于航空、航天的热端部件，因此连接接头应具有较好的耐高温性能，因此，本申请人选用TiNi高温钎料对两种材料进行钎焊连接。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种焊接效果好的TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法。

一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法，其特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料，具体步骤如下：

步骤一、按质量百分比称取26-30%的Ni和70-74%的Ti，两者之和等于100%，熔炼成合金锭，制成箔片，得到箔片钎料；

步骤二、依次用300目，500目，800目，1000目SiC砂纸和金刚石沙盘分别对TZM和ZrC/W的待焊部位进行打磨处理，得到钎焊母材；

步骤三、将步骤一和步骤二得到的箔片钎料和钎焊母材浸入丙酮中，超声清洗15min~20min，然后再用无水乙醇，超声清洗5~10min，晾干待用；

步骤四、将步骤三得到的箔片钎料和钎焊母材，按由下而上顺序依次放置TZM合金、箔片钎料和ZrC/W复合材料，再在ZrC/W复合材料上放置至少能提供2KPa压力的石墨压块，以限制待焊件在钎焊过程中的移位，组成待焊组件；

步骤五、将步骤四中得到的待焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空到5.0×10^-3Pa，开始加热升温，升温速率为20℃/min；当温度达到800℃后，将升温速率改为10℃/min，加热至940℃，保温5分钟；再以5℃/min的速率加热至钎焊温度为1000℃~1080℃，保温不超过20min ；以5℃/min.的速率降温，温度达到200℃时，关闭加热装置；随炉冷却，直到室温；完成利用TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料。

本发明中涉及的ZrC/W复合材料，按体积百分比，是由30～50%的ZrC与50～70%的W经热等静压制作而成，两者之和等于100%。

本发明所述的Ni丝(箔)纯度不低于99.5%（wt. %）， Ti丝(箔)的纯度不低于99.6%（wt. %）。

本发明步骤一中按质量百分比称取26-30份的Ni丝(箔)、70-74份的Ti丝(箔)，放入真空熔炼炉坩埚中，先抽真空到5.0×10^-3Pa后，再充氩气，在坩埚中通过电弧反复熔炼10次得到合金锭，用线切割加工成0.5mm~0.6mm厚的薄片，然后将薄片的正反两面进行机械磨光，最后用1000目的SiC砂纸打磨成厚度为0.1mm的TiNi箔片，得到箔片钎料。

本发明步骤五中以5℃/min 的升温速率，从940℃加热至钎焊温度，钎焊温度分别为1000℃或1020℃或1040℃或1060或1080℃进行钎焊连接，保温时间不超过20min。

本发明步骤五中以5℃/min 的升温速率，从940℃加热至最佳钎焊温度1020℃进行钎焊连接，保温最佳时间为10min。

本发明中步骤二中TZM合金的待焊表面，依次用300目，500目，800目，1000目的SiC砂纸进行打磨；将ZrC/W复合材料的待焊表面，依次用300目，500目，800目，1000目的金刚石沙盘进行打磨；

本发明中使用的钎料不含贵重金属，材料广泛，经济适用，制作方法简单，获得的TZM合金与ZrC/W复合材料平均钎焊接头强度不低于111MPa，具有很好的推广价值。

附图说明

图1 为待焊件布置图

图2为钎焊的工艺流程图，

图3为采用Ti72Ni28钎焊，在1020℃，保温时间10min时，获得钎焊接头的背散射图片。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述：

一种TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料的方法，其特征在于采用TiNi高温钎料在真空状况钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料，所述的Ni丝或Ni箔纯度不低于99.5%， Ti丝或Ti箔的纯度不低于99.6%， ZrC/W复合材料，按体积百分比，是由30～50%的ZrC与50～70%的W经热等静压制作而成，两者之和等于100%。

具体步骤如下：

步骤一、按质量百分比称取26-30%的Ni丝（箔）和70-74%的Ti丝（箔），两者之和等于100%，熔炼成合金锭，制成箔片，具体是按质量百分比称取26-30份的Ni丝（箔）、70-74份的Ti丝（箔），放入真空熔炼炉坩埚中，先抽真空到5X 10^-3Pa后，再充氩气，在坩埚中通过电弧反复熔炼10次得到合金锭，用线切割加工成0.5mm-0.6mm厚的薄片，然后将薄片的正反两面进行机械磨光，最后用1000目的SiC砂纸打磨成厚度为0.1mm的TiNi箔片，得到箔片钎料。

步骤二、依次用300目，500目，800目，1000目SiC砂纸和金刚石沙盘分别对TZM和ZrC/W的待焊部位进行打磨处理，得到钎焊母材；具体地说是依次用300目，500目，800目，1000目的SiC砂纸进行打磨；将ZrC/W复合材料的待焊表面，依次用300目，500目，800目，1000目的金刚石沙盘进行打磨；

步骤三、将步骤一和步骤二得到的箔片钎料和钎焊母材浸入丙酮中，超声清洗15min~20min，然后再用无水乙醇，超声清洗5~10min，晾干待用；

步骤四、将步骤三得到的箔片钎料和钎焊母材，按由下而上顺序依次放置TZM合金、箔片钎料和ZrC/W复合材料，再在ZrC/W复合材料上放置至少能提供2KPa压力的石墨压块，以限制待焊件在钎焊过程中的移位，组成待焊组件；

步骤五、将步骤四中得到的待焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空到5.0X10^-3Pa，开始加热升温，升温速率为20℃/min；当温度达到800℃后，将升温速率改为10℃/min，加热至940℃，保温5分钟；再以5℃/min的速率加热至钎焊温度为1000℃~1080℃，保温时间不超过20min ；最佳的钎焊温度为1020℃时，保温时间为10min；然后以5℃/min.的速率降温，温度达到200℃时，关闭加热装置；随炉冷却，直到室温；完成利用TiNi钎料真空钎焊TZM合金与ZrC/W复合材料。

本发明中使用的钎料不含贵重金属，材料广泛，经济适用，制作方法简单，获得的TZM合金与ZrC/W复合材料平均钎焊接头强度不低于111MPa，具有很好的推广价值。