用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基合金的钎料及方法和钎焊工艺

摘要

本发明公开了一种用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基合金的钎料及方法和钎焊工艺，其钎料为箔片带状，厚度为50～100μm，钎料以重量百分比计的元素成分包括：Mn6.0％～9.0％，Co3.5％～5％，Ni0.3％～1.7％，Zr2.0％～5.0％，Ti1.2％～2.8％，余量为Cu。本发明钎料的钎焊温度在1000℃～1050℃，钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀；使用钎料箔片有利于促进钎焊连接过程中合金元素的扩散和界面反应，提高钎料在W-Cu复合材料和Fe基粉末合金表面的润湿和铺展能力，细化晶粒和减小残余应力，提高了接头的力学性能；采用本发明的钎料连接W-Cu复合材料与Fe基粉末合金的钎焊工艺稳定可靠，利用真空钎焊连接，构件在加热过程中处于真空状态，整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，其表面润湿铺展较好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基合金的钎料及方法和钎焊工艺， 属于异质材料焊接技术领域。

背景技术

W-Cu复合材料综合了W和Cu的诸多优点，具有高强度、硬度，良好的导电导热 性能、低的热膨胀系数，良好的耐电弧腐蚀性、耐高温氧化性、抗熔焊性及尺寸稳定性 等优点。在航空航天、汽车工业、机械、能源、电子以及军事国防领域得到广泛的应用。 W-Cu复合材料不仅作为耐高温连接件、散热基件、热沉材料和触头材料，还作为火箭、 导弹尾喷管的喉衬、喷嘴、燃气舵等高温部件。Fe基粉末合金具有优异的强韧性、硬度、 耐磨性能，以及拥有良好的高温稳定性能，同样运用于重要的工业领域。为了进一步发 挥W-Cu复合材料和Fe基粉末合金的优越性能，弥补其弱势缺陷；W-Cu复合材料与 Fe基粉末合金连接成复合件，既可以充分发挥W-Cu复合材料的优良特征，又能展现 Fe基粉末合金的优异性能，提高了连接构件的整体性能，具有重大的实用价值。

W-Cu复合材料与Fe基粉末合金连接时，因物理化学性能的差异，易出现焊合区晶 粒粗大、组织脆化、残余应力等现象，导致接头断裂倾向增大。焊缝金属力学性能降低， 严重影响了两者之间的连接性能以及整体构件的使用性能；此外，W-Cu复合材料对气 体杂质敏感性较大，以及易出现脆化物相和微孔，严重影响接头的气密性及承载能力。 因此，W-Cu复合材料与Fe基粉末合金焊接时，组织结构变化、气体杂质污染、应力集 中等问题导致连接接头性能失效，是W-Cu复合材料与Fe基粉末合金焊接面临的主要 问题。

对于W-Cu复合材料与异种合金材料连接而言，钎焊特别是真空钎焊方法适合性更 好。寻找一种性能优良和性价比高的填充材料，制定合理的焊接工艺是实现W-Cu复合 材料与Fe基粉末合金异种材料连接的关键。目前，尚未看到W-Cu复合材料与Fe基粉 末合金连接技术的相关报道。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种用于钎焊W-Cu复合 材料与Fe基合金的钎料及方法和钎焊工艺，钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀，提高 了接头的力学性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基 粉末合金的钎料，所选钎料为箔片带状，厚度为50～100μm，钎料以重量百分比计的元 素成分包括：Mn6.0％～9.0％，Co3.5％～5％，Ni0.3％～1.7％，Zr2.0％～5.0％，Ti1.2％～ 2.8％，余量为Cu。

作为优选，所述钎料以重量百分比计的元素成分包括：Mn7.0％～9.0％，Co3.5％～ 4.5％，Ni0.5％～1.5％，Zr2.5％～4.5％，Ti1.5％～2.5％，余量为Cu。

作为优选，所述钎料以重量百分比计的元素成分包括：Mn8.0％、Co4.0％、Ni1.0％、 Zr3.5％、Ti2.0％，其余为Cu。

一种上述的用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基粉末合金的钎料的制备方法，包括以 下步骤：

1)按质量百分比称取高纯度的Mn片、Co颗粒、Ni颗粒、Zr颗粒、Ti颗粒和Cu 颗粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在18-23℃的温度下进行超声清洗15～20min；

2)将步骤(1)超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；

3)将步骤(2)的混合物Mn、Co、Ni、Zr、Ti、和Cu采用真空感应熔炼的方法制 备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻 璃管内；

4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调 整为150～200μm；

5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10^-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真 空度不低于9×10^-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；

6)开启电机，使铜辊转速u_s在28～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻 璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60s～80s；

7)将Ar气气压调制P＝30～60KPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射 到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚 度为50～100μm。

作为优选，所述步骤(3)中石英玻璃管喷嘴呈长方形，其长度为8～10mm，宽度 为0.8～1.2mm。

作为优选，所述步骤(6)中铜辊直径为250mm，铜辊宽度为50mm。

一种上述用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基粉末合金的钎料的钎焊工艺，包括以下 步骤：

(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和Fe基粉末合金试样端面进行清理， 除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，将W-Cu 复合材料、Fe基粉末合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并 进行烘干处理；

(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于Fe基粉末合金与W-Cu复合材料待焊表 面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压 头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；

(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设 备中，首先以6～10℃/min的速率升温至300～350℃，保温15～20min，再以4～6℃/min 的速率升温至700～750℃，保温时间15～20min，再以6～10℃/min的速率继续升温至 钎焊温度1000～1050℃，保温时间20～45min，再以3～5℃/min的速率冷却至750～ 800℃，保温时间10～15min，最后以5～7℃/min的速率冷却至450～500℃，随炉冷却 至室温，开炉取出被焊连接件即可。

在本发明中，加入一定量的Mn元素适当的降低了钎料的熔化温度，促进了钎焊接 头固溶体的形成；加入适量的Zr有利于钎料细化晶粒和提高钎料的高温性能；Co和 Ni的添加提高了该钎料的抗氧化性和耐蚀性；适量Ti有利于细化晶粒，提高钎料合金 的强度；同时大量的Cu元素有利于提高合金钎料的塑性和强度，促进钎焊与W-Cu复 合材料和Fe基粉末合金的固溶冶金反应，提高钎焊接头的综合性能。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明钎料的钎焊温度在1000℃～1050℃，钎料熔化温度适中，钎料熔化均 匀；使用钎料箔片有利于促进钎焊连接过程中合金元素的扩散和界面反应，提高钎料在 W-Cu复合材料和Fe基粉末合金表面的润湿和铺展能力，细化晶粒和减小残余应力，提 高了接头的力学性能；

(2)采用本发明的钎料连接W-Cu复合材料与Fe基粉末合金的钎焊工艺稳定可靠， 利用真空钎焊连接，构件在加热过程中处于真空状态，整个构件无变形，无微观裂纹、 气孔和夹杂等缺陷，其表面润湿铺展较好，充分填充钎缝，提高了接头的整体强度，以 及拥有良好的塑性变形能力，因而能获得更为稳定可靠的连接接头；

(3)本发明钎料连接W-Cu复合材料与Fe基粉末合金，钎料与基体母材充分形成 固溶冶金反应，组织细粒，使得本发明钎料具有优异常温和高温性能，获得的W-Cu复 合材料与Fe基粉末合金的连接接头性能稳定可靠，扩大了W-Cu复合材料与异种材料 连接的应用领域；

(4)本发明获得的钎料制备方法和钎焊工艺简单，实施方便快捷，钎料的制备以 及钎焊工艺可重复再现，真空钎焊过程无须添加钎剂以及保护措施，便于广泛的推广与 应用。

具体实施方式

实施例1

W-Cu复合材料(W重量占55％，Cu重量占45％)与Fe基粉末合金(Co10.5％， C2.3％，Cr4.0％，Mo7.0％，W6.5％，V6.5％，余量为Fe)对接接头真空钎焊：W-Cu复 合材料和Fe基粉末合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截 面。

钎料的成分及质量百分比配比为：Mn7.0％，Co4.5％，Ni0.5％，Zr4.5％，Ti1.5％， 余量为Cu。钎料厚度为100μm。

上述用于钎焊W-Cu复合材料与Fe基粉末合金的钎料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量百分比称取高纯度的70gMn片、45gCo颗粒、5gNi颗粒、45gAg颗粒、 15Ti颗粒和820gCu颗粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的温度下进 行超声清洗20min；

2)将步骤(1)超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合 物；

3)将混合物Mn、Co、Ni、Zr、Ti、和Cu采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀 的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；

4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调 整为150μm；

5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10^-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真 空度不低于9×10^-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至220～250mbar；

6)开启电机，使铜辊转速u_s在28m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管 内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60～80s；

7)将Ar气气压调制P＝30～60KPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射 到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚 度为90μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和Fe基粉末合金试样端面进行清理， 除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，将W-Cu 复合材料、Fe基粉末合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗20min，并进行 烘干处理；

(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于Fe基粉末合金与W-Cu复合材料待焊表 面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压 头，产生0.06MPa的恒定垂直压力；

(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设 备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以4℃/min的速率继续升 温至750℃，保温时间15min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1000℃，保温 时间45min，再以3℃/min的速率冷却至800℃，保温时间10min，最后以7℃/min的速 率冷却至450℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。

结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与Fe基粉末合金接头形成良好，金相观察发现 钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为676MPa。

实施例2：

W-Cu复合材料(W重量占55％，Cu重量占45％)与Fe基粉末合金(Co10.5％， C2.3％，Cr4.0％，Mo7.0％，W6.5％，V6.5％，余量为Fe)对接接头真空钎焊：W-Cu复 合材料和Fe基粉末合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截 面。

钎料的成分及质量百分比配比为：Mn8.0％，Co4.0％，Ni1.0％，Zr3.5％，Ti2.0％， 余量为Cu。按照实施例1中的制备方法，制备的钎料厚度为80μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和Fe基粉末合金试样端面进行清理， 除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，将W-Cu 复合材料、Fe基粉末合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗20min，并进行 烘干处理；

(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于Fe基粉末合金与W-Cu复合材料待焊表 面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压 头，产生0.05MPa的恒定垂直压力；

(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设 备中，首先以8℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以5℃/min的速率继续升温 至700℃，保温时间15min，再以8℃/min的速率继续升温至钎焊温度1050℃，保温时 间30min，再以4℃/min的速率冷却至800℃，保温时间10min，最后以6℃/min的速率 冷却至450℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。

结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与Fe基粉末合金接头形成良好，金相观察发现 钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为691MPa。

实施例3：

W-Cu复合材料(W55Cu45，wt％)与Fe基粉末合金(Co10.5％，C2.3％，Cr4.0％， Mo7.0％，W6.5％，V6.5％，余量为Fe)对接接头真空钎焊：W-Cu复合材料和Fe基粉 末合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。

钎料的成分及质量百分比配比为：钎料的成分及质量百分比配比为：Mn9.0％， Co3.5％，Ni1.5％，Zr2.5％，Ti2.5％，余量为Cu。按照实施例1中的制备方法，制备的 钎料厚度为50μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和Fe基粉末合金试样端面进行清理， 除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，将W-Cu 复合材料、Fe基粉末合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗20min，并进行 烘干处理；

(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于Fe基粉末合金与W-Cu复合材料待焊表 面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压 头，产生0.04MPa的恒定垂直压力；

(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设 备中，首先以6℃/min的速率升温至350℃，保温15min，再以6℃/min的速率继续升温 至700℃，保温时间20min，再以6℃/min的速率继续升温至钎焊温度1030℃，保温时 间20min，再以5℃/min的速率冷却至750℃，保温时间15min，最后以5℃/min的速率 冷却至500℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。

结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与Fe基粉末合金接头形成良好，金相观察发现 钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为665MPa。

实施例4：

W-Cu复合材料(W55Cu45，wt％)与Fe基粉末合金(Co10.5％，C2.3％，Cr4.0％， Mo7.0％，W6.5％，V6.5％，余量为Fe)对接接头真空钎焊：W-Cu复合材料和Fe基粉 末合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。

钎料的成分及质量百分比配比为：钎料的成分及质量百分比配比为：Mn6.0％， Co3.5％，Ni0.3％，Zr2.0％，Ti1.2％，余量为Cu。按照实施例1中的制备方法，制备的 钎料厚度为100μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)准备阶段：对待钎焊的W-Cu复合材料和Fe基粉末合金试样端面进行清理， 除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W7号金相砂纸进行研磨光滑，将W-Cu 复合材料、Fe基粉末合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗20min，并进行 烘干处理；

(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于Fe基粉末合金与W-Cu复合材料待焊表 面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压 头，产生0.04MPa的恒定垂直压力；

(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设 备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以4℃/min的速率继续升 温至750℃，保温时间15min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1000℃，保温 时间45min，再以3℃/min的速率冷却至800℃，保温时间10min，最后以7℃/min的速 率冷却至450℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。

结果：钎焊获得的W-Cu复合材料与Fe基粉末合金接头形成良好，金相观察发现 钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为682MPa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。