專利名稱：一種用于釬焊鈦合金與鋼或鈦鋁合金與鋼的釬料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種異種金屬間釬焊用的釬料成分配方，具體而言是一種用于釬焊鈦合金與鋼或鈦鋁合金與鋼的釬料，屬于材料釬焊連接領域。
背景技術：
鈦是20世紀50年代初走向工業(yè)化生產(chǎn)的一種重要金屬。鈦合金是以鈦為基體金屬并加入適量其它合金元素組成的合金。鈦鋁合金是以鈦鋁金屬間化合物為基體材料的合金。在鈦及其合金的眾多特性中，有兩個最為顯著的優(yōu)點比強度高和耐腐蝕性好，從而使 其被廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)，特別是航空航天和化工行業(yè)。然而，實踐表明，常規(guī)鈦合金只能用于650°C以下的環(huán)境，為滿足在更高溫度條件下的服役需求而開發(fā)的鈦基復合材料和以Ti3Al、TiAl型金屬間化合物為基體的鈦鋁合金正受到越來越廣泛的重視。與鋼鐵及鋁合金等常用金屬材料相比，鈦及其合金雖然具有很多性能優(yōu)勢，但其生產(chǎn)和應用的范圍及發(fā)展依然受到限制，最重要的是其制造加工過程比較復雜，且成本偏高。尤其在大型復雜構件中，鈦及其合金與鋼鐵等其他金屬的配合使用是簡化制造工藝、降低成本的有效方法和必然途徑。鈦/鋼異種金屬連接件可綜合鈦和鋼的優(yōu)點，被廣泛應用于核工業(yè)、航空航天、化工等領域，鈦鋁合金/鋼異種金屬連接結構已經(jīng)被用于汽車發(fā)動機零部件的制造中。目前，在鈦合金或鈦鋁合金與鋼異種金屬間釬焊時常用的釬料有銀基釬料、銅基釬料和鈦基釬料。對于銀基釬料，由于其熔點較低，釬焊溫度遠低于鈦合金或鈦鋁合金母材的3相轉變溫度，因此釬焊過程不會影響母材的性能，是焊接鈦合金或鈦鋁合金的常用釬料。并且，銀基釬料對于各種鋼的焊接同樣適用，因此是實現(xiàn)鈦合金或鈦鋁合金與鋼異種金屬間釬焊的首要選擇，得到了廣泛研究。文獻I (T. Noda, T. Shimizu, et al. Joiningof TiAl and steels by induction brazing. Materials Science and EngineeringA，1997，240:613-618)和文獻 2 (P. He，J. C. Feng，et al. Mechanical property ofinduction brazing TiAl—based intermetallics to steel 35CrMo using AgCuTifiller metal. Materials Science and Engineering A，2006，418(1-2):45-52)均米用Ag-Cu35. 2-Til. 8對鈦鋁合金與鋼進行焊接，所得焊接接頭常溫下的抗拉強度均為320MPa。然而這些銀基釬料的高溫抗拉強度較低，抗蠕變性較差，因此接頭無法滿足高溫環(huán)境下的服役要求。文獻 3(A. Elrefaey，W. Tillmann. Characterization of titanium/steel jointsbrazed in vacuum. Welding Journal，2008，87 (5) : 113s_118s)和文獻 4 (A. Elrefaey, W.Tillmann. Brazing of titanium to steel with different filler metals:analysis andcomparison. Journal of Materials Science, 2010，45(16) :4332-4338)均米用銅基釬料Cu-Mnl2-Ni2對鈦合金與鋼進行釬焊，但接頭中形成了大量Ti-Cu和Ti-Fe金屬間化合物，接頭強度遠不如釆用銀基釬料所得接頭。
鈦基釬料廣泛應用于鈦合金或鈦鋁合金的焊接，是要求在高溫和高腐蝕性環(huán)境中服役的鈦合金或鈦鋁合金零件焊接的理想焊材。文獻5 CL Shapiro1A.Rabinkin. State of the art of Titanium-based brazing filler metals. WeldingJournal, 2003，82(10) :36-43)詳細介紹了鈦基釬料的發(fā)展和應用。文獻I (T. Noda, T.Shimizu, et al. Joiningof TiAl and steels by induction brazing. Materials Scienceand Engineering A, 1997，240:613-618)和文獻 6(T. Tetsui. Effects of brazing filleron properties of brazed joints between TiAl and metallic materials. Intermetallics, 2001,9(3) :253-260)分別采用Ti_Cul5_Nil5釬料和Ti_Ni33釬料對鈦鋁合金與鋼進行了焊接，但在釬料與鋼基體之間有Ti-Fe金屬間化合物的形成，接頭強度也不如采用銀基釬料所得接頭。鈦基釬料的成分是成功焊接鈦合金或鈦鋁合金與鋼的關鍵因素，因此適用于鈦合金或鈦鋁合金與鋼異種金屬間釬焊的鈦基釬料及其工藝尚待深入研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種接頭強度高且能耐高溫和腐蝕性的適用于鈦合金或鈦鋁合金與鋼異種金屬間釬焊用的釬料。
能夠滿足上述目的的本發(fā)明的釬料含有如下質量份數(shù)的各組分TiO 40、Cu24 50、Ni 6 23、V 5 20、Zr 9 35。其中，優(yōu)選如下配方的釬料(下述百分比均為質量百分比)配方I Ti 30. 8%、Ni 6. 3%、V 5. 5%、Zr 9. 8%,余量為 Cu ；配方2 Ti 19. 6%、Ni 12. 0%、V 10. 5%、Zr 18. 7%，余量為 Cu ；配方3 Ti 9. 4%、Ni 17. 3%、V 15. 0%、Zr 26. 9%,余量為 Cu ；配方4 Cu 24. 0%、Ni 22. 2%、V 19. 3%,余量為 Zr。另外，本發(fā)明的釬料優(yōu)選是將各組分混合、熔融后，經(jīng)快速凝固制備得到的釬料。其中優(yōu)選采用銅輥冷卻法進行所述快速凝固。本發(fā)明的釬料對于鈦合金或鈦鋁合金母材和鋼母材均具有良好的潤濕效果，并可在一定程度上避免脆性Ti-Fe金屬間化合物的大量生成，使用本發(fā)明的釬料可獲得高強度的釬焊接頭。此外，本發(fā)明的釬料與銀基釬料相比，得到的釬焊接頭耐高溫、耐腐蝕，能夠滿足高溫、高腐蝕環(huán)境下的服役要求。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鈦基釬料中的鈦元素含量過高，釬焊過程中熔化的釬料易于和鋼母材反應，在界面處產(chǎn)生脆性的Ti-Fe金屬間化合物，嚴重影響了接頭強度；此外，傳統(tǒng)鈦基釬料與母材的潤濕性差，釬焊過程中熔化的釬料不能充分填充母材間預留的釬焊間隙，造成焊接面局部未釬合，從而影響接頭強度和氣密性等。本發(fā)明的技術思想是以Ti-Cu-Ni-Zr非晶合金釬料成分為基礎成分，結合團簇加連接原子結構模型及非晶成分設計的“等電子濃度”判據(jù)，圍繞主團簇模型Cu-Cu4Ti8-Cu3進行成分設計，由其它原子V、Ni、Zr等對Ti、Cu原子進行替換，通過降低鈦基釬料中鈦的含量以避免金屬間化合物的大量生成，并在釬料中加入與鈦和鐵均可以無限互溶的V元素以改善釬料與母材間的潤濕性，可以有效防止釬縫中金屬間化合物的大量形成，從而改善釬縫的顯微組織和力學性能。具體而言，本發(fā)明是一種用于釬焊鈦合金與鋼或鈦鋁合金與鋼的釬料，其特征在于，所述釬料含有如下質量份數(shù)的各組分Ti 0 40、Cu 24 50、Ni 6 23、V 5 20、Zr 9 35。本發(fā)明的釬料配方優(yōu)選如下(下述百分比均為質量百分比)配方I Ti 30. 8%、Ni 6. 3%、V 5. 5%、Zr 9. 8%,余量為 Cu ；配方2 Ti 19. 6%、Ni 12. 0%、V 10. 5%、Zr 18. 7%,余量為 Cu ；配方3 Ti 9. 4%、Ni 17. 3%、V 15. 0%、Zr 26. 9%,余量為 Cu ；配方4 Cu 24. 0%、Ni 22. 2%、V 19. 3%,余量為 Zr。
在本發(fā)明的釬料成分中，若銅元素含量最多，則稱為銅基釬料(如配方廣3);若鋯元素含量最多，可稱為鋯基釬料(如配方4)。此外，此處的配方以及后述實施例的配方中均不排除包含雜質的情形，即在這些配方中，還可以含有材料釬焊連接領域允許范圍內(nèi)的從原料或制備工藝中混入的其它雜質成分。由于鈦含量的降低和釩元素的加入，本發(fā)明的釬料對于鈦和鋼母材均具有良好的潤濕效果，還可在一定程度上避免脆性Ti-Fe金屬間化合物的大量生成，獲得了高強度的釬焊接頭。此外，本發(fā)明的釬料優(yōu)選是將各組分混合、熔融后，經(jīng)快速凝固制備得到的釬料。熔融的各組分在液體狀態(tài)下處于均一混合的狀態(tài)，采用快速凝固技術制備釬料，可以使各個組分在保持均一混合的狀態(tài)下被迅速凝固成固體，這樣獲得的釬料熔化溫度低，各組分均勻混合，并且在熔化狀態(tài)下具有良好的流動性。對快速凝固的方法沒有特別限制，但從技術的成熟性和經(jīng)濟效益的角度來講，優(yōu)選銅輥冷卻法。所述銅輥冷卻法是指利用快速旋轉的銅輥，將噴敷其上的液態(tài)金屬快速凝固并甩離輥面的方法，銅輥內(nèi)部通循環(huán)水，以維持銅輥表面的較低溫度。使用該方法生產(chǎn)效率高，投資成本少，有利于在實際生產(chǎn)中推廣應用。本發(fā)明的釬料適用于各種鈦合金或鈦鋁合金/鋼異種金屬間的釬焊連接，可以應用于涉及到使用鈦合金與鋼或鈦鋁合金與鋼異種金屬結構的產(chǎn)業(yè)，比如汽車、核工業(yè)、發(fā)動機等領域，市場前景廣闊。實施例下面列舉實施例對本發(fā)明進行詳細說明。但本發(fā)明不受下述實施例的限制，在符合本發(fā)明前后宗旨的范圍內(nèi)，可對本發(fā)明做任意變化，這些變化均包括在本發(fā)明的技術范圍內(nèi)。實施例I采用99. 99wt%的高純度Ti、Cu、Ni、Zr和V薄板作為原料，按表I中配方I的釬料組分配比稱取一定量的原料，在真空電弧爐中熔煉5次以上，使各組分混合均勻，并且最后一次熔煉的成分損失小于0. lwt%0采用銅輥快速冷卻法(銅輥表面的線速度為40m/s)將熔煉后的合金錠甩成厚度為50 左右的薄帶，得到釬料I。采用上述釬料I對鈦鋁合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb, at%)與 40Cr 鋼(Fe-0. 4C-1. OCr-O. 7Mn_0. 3Si_0. 2Ni,wt%)進行釬焊，釬焊溫度為900°C，保溫時間lOmin，升溫速度30°C /min，升溫過程中在800°C保溫5min使釬焊爐內(nèi)溫度均勻。釬焊完成后，采用線切割方式將釬縫橫向切開，制備金相試樣，采用光學及電子顯微鏡觀察接頭形貌。結果表明(1)釬料在40Cr鋼和鈦鋁合金母材表面均具有良好的鋪展性，釬焊前釬料寬度約為2mm，鋪展后的平均寬度約為8mm，釬料鋪展后的寬度是焊接前寬度的4倍左右；(2)釬料與鈦鋁合金母材間形成了明顯的反應區(qū)(寬度約為Sum)，釬料與40Cr鋼母材之間也形成了互擴散層(厚度約為Iy m)，釬料與40Cr鋼母材二者之間形成了冶金結合；(3)除靠近40Cr鋼側的釬縫層有少量連續(xù)灰色相外，釬縫其余部分成分均勻，采用電子探針(EPMA)對灰色相的元素含量測試及分析表明，該區(qū)域主要由Ti51-Cu32-A19at%和少量的其它元素組成，對釬縫其余部分采用電子探針進行元素含量測試及分析表明基本為原始釬料成分。此外，對采用釬料I所得的鈦鋁合金/40Cr鋼釬焊接頭進行常溫拉伸試驗，拉伸速率為2.5mm/min。結果表明當拉伸強度為40MPa時，釬焊體發(fā)生斷裂，斷裂位置位于40Cr鋼/釬料界面層上。實施例2除了采用表I中配方2的釬料組分以外，以與實施例I同樣的方法制備得到 釬料2。此外，除釬焊溫度為930°C外，采用與實施例I相同的工藝參數(shù)對鈦鋁合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb, at%)與 40Cr 鋼(Fe-0. 4C-1. OCr-O. 7Mn_0. 3Si_0. 2Ni,wt%)進行釬焊，釬焊完成后，以與實施例I同樣的方法觀察接頭形貌和實施拉伸試驗。結果表明(1)釬料在40Cr鋼和鈦鋁合金母材表面均具有良好的鋪展性，釬焊前釬料寬度約為2mm，鋪展后的平均寬度約為5_，釬料鋪展后的寬度是焊接前寬度的2. 5倍左右；(2)釬料與鈦鋁合金母材間形成了明顯的反應區(qū)(寬度約為m)，釬料與40Cr鋼母材之間也形成了互擴散層(厚度約為I. 5 ym)，厚度大于實施例I中的互擴散層厚度；(3)釬縫中部成分分布均勻，采用電子探針進行元素含量測試及分析表明基本為原始釬料成分。此外，當拉伸強度為124MPa時，釬焊體發(fā)生斷裂，斷裂位置位于鈦鋁合金基體上。實施例3除了采用表I中配方3的釬料組分以外，以與實施例I同樣的方法制備得到釬料
3。除釬焊溫度為1000°C外，采用與實施例I相同的工藝參數(shù)對TC4鈦合金(Ti90-A16-V4，wt%)與 40Cr 鋼(Fe-0. 4C-1. OCr-O. 7Mn_0. 3Si_0. 2Ni, wt%)進行釬焊，釬焊完成后，以與實施例I同樣的方法觀察接頭形貌和實施拉伸試驗。結果表明(1)釬料在TC4鈦合金和40Cr鋼母材表面均具有良好的鋪展性，釬焊前釬料寬度約為2mm，鋪展后的平均寬度約為5mm，釬料鋪展后的寬度是焊接前寬度的2. 5倍左右；(2)釬料與TC4鈦合金母材間形成了 10 ii m的反應區(qū)，釬料與40Cr鋼母材之間也形成了互擴散層，互擴散層厚度約為2 u m ; (3)釬縫中部成分分布較為均勻，采用電子探針對該區(qū)域進行元素含量測試及分析表明，釬縫中鈦含量明顯高于原始釬料，這表明釬料與TC4母材結合良好，但部分鈦元素擴散到40Cr鋼與釬料的界面處，形成Ti-Fe金屬間化合物，減弱了接頭強度。此外，當拉伸強度為60MPa時，釬焊體發(fā)生斷裂，斷裂位置位于40Cr鋼/釬料界面層上。實施例4除了采用表I中配方4的釬料組分以外，以與實施例I同樣的方法制備得到釬料
4。除釬焊溫度為1050°C外，采用與實施例I相同的工藝參數(shù)對TC4鈦合金(Ti90-A16-V4，wt%)與 40Cr 鋼(Fe-0. 4C-1. OCr-O. 7Mn_0. 3Si_0. 2Ni, wt%)進行釬焊，釬焊完成后，以與實施例I同樣的方法觀察接頭形貌和實施拉伸試驗。結果表明(1)釬料在TC4鈦合金和40Cr鋼母材表面均具有良好的鋪展性，釬焊前釬料寬度約為2mm，鋪展后的平均寬度約為7mm，釬料鋪展后的寬度是焊接前寬度的3. 5倍左右；(2)釬料與TC4鈦合金母材間反應區(qū)寬度約為10 U m,釬料與40Cr鋼母材之間也形成了互擴散層，互擴散層厚度約為2 u m ; (3)釬縫中部成分分布較為均勻，采用電子探針對該區(qū)域進行元素含量測試及分析表明，鈦向釬縫中發(fā)生了擴散，但含量較低，不影響接頭強度。此外，當拉伸強度為SOMPa時，釬焊體發(fā)生斷裂，斷裂位置位于40Cr鋼/釬料界面層上。比較例I除了采用表I中配方5的釬料組分以外，以與實施例I同樣的方法制備得到釬料
5。除釬焊溫度為975°C外，采用與實施例I相同的工藝參數(shù)對鈦鋁合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb，at%)與 40Cr 鋼(Fe_0. 4C-1. OCr-O. 7Mn_0. 3Si_0. 2Ni, wt%)進行釬焊，釬焊完成后，以與實施例I同樣的方法觀察接頭形貌和實施拉伸試驗。結果表明(1)釬料在鈦鋁合金和40Cr鋼表面具有一定的鋪展性，但其鋪展后的寬度僅為焊接前寬度的I. 5倍左右；(2)釬料與鈦鋁合金母材之間形成了明顯的反應區(qū)(寬度約為lOym)，釬料與40Cr鋼之間也形成了互擴散層(厚度約為0. Sum)，但擴散層較窄，主要成分為Ti-Fe金屬間化合物；(3)除上述反應·區(qū)與互擴散層外，釬縫主要由兩相組成靠近40Cr鋼側附近大量的Ti和Sn富集，呈暗灰色圓島狀，主要為Ti3Sn,其余部分基本為原始釬料成分，呈灰白色。此外，當拉伸強度為30MPa時，釬焊體發(fā)生斷裂，斷裂位置位于40Cr鋼/釬料界面層上。比較例2除了采用表I中配方6的釬料組分以外，以與實施例I同樣的方法制備得到釬料
6。采用與實施例I相同的工藝參數(shù)對鈦鋁合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb，at%)與40Cr鋼(Fe-O 4C-1. OCr-O. 7Mn-0. 3Si_0. 2Ni, wt%)進行釬焊，釬焊完成后，以與實施例I同樣的方法觀察接頭形貌和實施拉伸試驗。結果表明(I)釬料在40Cr鋼和TiAl合金表面具有一定的鋪展性，但其鋪展后的寬度僅為焊接前寬度的I. 5倍左右；(2)釬料與鈦鋁合金母材之間形成了明顯的反應區(qū)(寬度約為12 ym)，釬料與40Cr鋼之間也形成了互擴散層(厚度約為0. 5 ym)，但擴散層較窄，主要成分為Ti-Fe金屬間化合物；(3)釬縫中有大量的塊狀及連續(xù)分布的Ti-Al-Cu及Ti-Ni金屬間化合物析出，釬縫層硬度遠高于原始釬料硬度。此外，當拉伸強度為30MPa時，釬焊體發(fā)生斷裂，斷裂位置位于40Cr鋼/釬料界面層上。由以上試驗結果可知，在釬料中降低鈦含量的同時加入釩元素，可以改善釬料的潤濕性，使釬料與鋼母材形成更牢固的冶金結合，并且改變釬焊后釬縫的組織形貌，避免金屬間化合物在釬縫中的大量形成，從而可以獲得高強度的鈦合金或鈦鋁合金/鋼異種金屬釬焊接頭。表I
權利要求
1.一種用于釬焊鈦合金與鋼或鈦鋁合金與鋼的釬料，其特征在于，所述釬料含有如下質量份數(shù)的各組分Ti O 40、Cu 24 50、Ni 6 23、V 5 20、Zr 9 35。
2.根據(jù)權利要求I所述的釬料，其特征在于，所述釬料為銅基釬料，由如下質量百分比的各組分組成Ti 30. 8、Ni 6. 3、V 5. 5, Zr 9. 8，余量為 Cu。
3.根據(jù)權利要求I所述的釬料，其特征在于，所述釬料為銅基釬料，由如下質量百分比的各組分組成Ti 19. 6, Ni 12. O、V 10. 5, Zr 18. 7，余量為 Cu。
4.根據(jù)權利要求I所述的釬料，其特征在于，所述釬料為銅基釬料，由如下質量百分比的各組分組成Ti 9. 4, Ni 17. 3, V 15. O、Zr 26. 9，余量為 Cu。
5.根據(jù)權利要求I所述的釬料，其特征在于，所述釬料為鋯基釬料，由如下質量百分比的各組分組成Cu 24. O、Ni 22. 2, V 19. 3，余量為Zr。
6.根據(jù)權利要求1-5中任意ー項所述的釬料，其特征在于，所述釬料是將各組分混合、熔融后，經(jīng)快速凝固制備得到的。
7.根據(jù)權利要求6所述的釬料，其特征在于，采用銅輥冷卻法進行所述快速凝固。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于釬焊鈦合金與鋼或鈦鋁合金與鋼的釬料，其特征在于，所述釬料含有如下質量份數(shù)的各組分Ti0～40、Cu24～50、Ni6～23、V5～20、Zr9～35。本發(fā)明的釬料對于鈦合金或鈦鋁合金母材和鋼母材均具有良好的潤濕效果，并可在一定程度上避免脆性金屬間化合物的大量生成，使用本發(fā)明的釬料可獲得高強度的釬焊接頭。
文檔編號B23K35/24GK102794578SQ20121028482
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權日2012年8月10日
發(fā)明者董紅剛, 楊仲林, 董闖 申請人:大連理工大學