用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基合金的釬料及方法和釬焊工藝的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基合金的釬料及方法和釬焊工藝，屬于異質(zhì)材料焊接技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002]W-Cu復合材料綜合了 W和Cu的諸多優(yōu)點，具有高強度、硬度，良好的導電導熱性能、低的熱膨脹系數(shù)，良好的耐電弧腐蝕性、耐高溫氧化性、抗熔焊性及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點。在航空航天、汽車工業(yè)、機械、能源、電子以及軍事國防領域得到廣泛的應用。W-Cu復合材料不僅作為耐高溫連接件、散熱基件、熱沉材料和觸頭材料，還作為火箭、導彈尾噴管的喉襯、噴嘴、燃氣舵等高溫部件。Fe基粉末合金具有優(yōu)異的強韌性、硬度、耐磨性能，以及擁有良好的高溫穩(wěn)定性能，同樣運用于重要的工業(yè)領域。為了進一步發(fā)揮W-Cu復合材料和Fe基粉末合金的優(yōu)越性能，彌補其弱勢缺陷；W_Cu復合材料與Fe基粉末合金連接成復合件，既可以充分發(fā)揮W-Cu復合材料的優(yōu)良特征，又能展現(xiàn)Fe基粉末合金的優(yōu)異性能，提高了連接構(gòu)件的整體性能，具有重大的實用價值。
[0003]W-Cu復合材料與Fe基粉末合金連接時，因物理化學性能的差異，易出現(xiàn)焊合區(qū)晶粒粗大、組織脆化、殘余應力等現(xiàn)象，導致接頭斷裂傾向增大。焊縫金屬力學性能降低，嚴重影響了兩者之間的連接性能以及整體構(gòu)件的使用性能；此外，W-Cu復合材料對氣體雜質(zhì)敏感性較大，以及易出現(xiàn)脆化物相和微孔，嚴重影響接頭的氣密性及承載能力。因此，W-Cu復合材料與Fe基粉末合金焊接時，組織結(jié)構(gòu)變化、氣體雜質(zhì)污染、應力集中等問題導致連接接頭性能失效，是W-Cu復合材料與Fe基粉末合金焊接面臨的主要問題。
[0004]對于W-Cu復合材料與異種合金材料連接而言，釬焊特別是真空釬焊方法適合性更好。尋找一種性能優(yōu)良和性價比高的填充材料，制定合理的焊接工藝是實現(xiàn)W-Cu復合材料與Fe基粉末合金異種材料連接的關鍵。目前，尚未看到W-Cu復合材料與Fe基粉末合金連接技術(shù)的相關報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基合金的釬料及方法和釬焊工藝，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻，提高了接頭的力學性能。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基粉末合金的釬料，所選釬料為箔片帶狀，厚度為50?100 μπι，釬料以重量百分比計的元素成分包括:Μη6.0%?9.0%, Co3.5%?5%，N1.3%?1.7%, Zr2.0%?5.0%, Til.2%?2.8%，余量為Cu。
[0007]作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括:Mn7.0%?9.0%，Co3.5%?4.5%, N1.5%~ 1.5%, Zr2.5%~ 4.5%, Til.5%~ 2.5%，余量為 Cu。
[0008]作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括:Mn8.0 %、Co4.0 %、Nil.0%、Zr3.5%、Ti2.0%，其余為 Cu。
[0009]—種上述的用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基粉末合金的釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Mn片、Co顆粒、Ni顆粒、Zr顆粒、Ti顆粒和Cu顆粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在18-23°C的溫度下進行超聲清洗15?20min ;
[0011]2)將步驟(I)超聲清洗后的混合物在30?50°C的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
[0012]3)將步驟⑵的混合物Mn、Co、N1、Zr、T1、和Cu采用真空感應熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
[0013]4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為 150 ?200 μπι ；
[0014]5)關閉爐門，采用機械栗抽真空至1.5X103Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不低于9 X 10 5Pa,然后腔體充滿高純Ar氣至200?230mbar ；
[0015]6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速!^在28?33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應加熱至完全均勻恪融后，保溫過熱恪體60s?80s ；
[0016]7)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 30?60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅棍表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50?100 μπι。
[0017]作為優(yōu)選，所述步驟(3)中石英玻璃管噴嘴呈長方形，其長度為8?10mm，寬度為0.8 ?1.2mmο
[0018]作為優(yōu)選，所述步驟￠)中銅輥直徑為250_，銅輥寬度為50_。
[0019]一種上述用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基粉末合金的釬料的釬焊工藝，包括以下步驟:
[0020](I)準備階段:對待釬焊的W-Cu復合材料和Fe基粉末合金試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W7號金相砂紙進行研磨光滑，將W-Cu復合材料、Fe基粉末合金及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15?20min，并進行烘干處理；
[0021](2)裝配階段:將清洗后的釬料箔片置于Fe基粉末合金與W-Cu復合材料待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04?0.06MPa的恒定垂直壓力；
[0022](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5 X 10 3Pa的釬焊設備中，首先以6?10°C /min的速率升溫至300?350°C，保溫15?20min，再以4?6°C /min的速率升溫至700?750°C，保溫時間15?20min，再以6?10°C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1000?1050°C，保溫時間20?45min，再以3?5°C /min的速率冷卻至750?8000C，保溫時間10?15min，最后以5?7°C /min的速率冷卻至450?500°C，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0023]在本發(fā)明中，加入一定量的Mn元素適當?shù)慕档土蒜F料的熔化溫度，促進了釬焊接頭固溶體的形成；加入適量的Zr有利于釬料細化晶粒和提高釬料的高溫性能；Co和Ni的添加提高了該釬料的抗氧化性和耐蝕性；適量Ti有利于細化晶粒，提高釬料合金的強度；同時大量的Cu元素有利于提高合金釬料的塑性和強度，促進釬焊與W-Cu復合材料和Fe基粉末合金的固溶冶金反應，提高釬焊接頭的綜合性能。
[0024]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0025](I)本發(fā)明釬料的釬焊溫度在1000°C?1050 °C，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻；使用釬料箔片有利于促進釬焊連接過程中合金元素的擴散和界面反應，提高釬料在W-Cu復合材料和Fe基粉末合金表面的潤濕和鋪展能力，細化晶粒和減小殘余應力，提高了接頭的力學性能；
[0026](2)采用本發(fā)明的釬料連接W-Cu復合材料與Fe基粉末合金的釬焊工藝穩(wěn)定可靠，利用真空釬焊連接，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，整個構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤濕鋪展較好，充分填充釬縫，提高了接頭的整體強度，以及擁有良好的塑性變形能力，因而能獲得更為穩(wěn)定可靠的連接接頭；
[0027](3)本發(fā)明釬料連接W-Cu復合材料與Fe基粉末合金，釬料與基體母材充分形成固溶冶金反應，組織細粒，使得本發(fā)明釬料具有優(yōu)異常溫和高溫性能，獲得的W-Cu復合材料與Fe基粉末合金的連接接頭性能穩(wěn)定可靠，擴大了 W-Cu復合材料與異種材料連接的應用領域；
[0028](4)本發(fā)明獲得的釬料制備方法和釬焊工藝簡單，實施方便快捷，釬料的制備以及釬焊工藝可重復再現(xiàn)，真空釬焊過程無須添加釬劑以及保護措施，便于廣泛的推廣與應用。
【具體實施方式】
[0029]實施例1
[0030]W-Cu復合材料(W重量占55 %，Cu重量占45 % )與Fe基粉末合金(Col0.5 %，C2.3%, Cr4.0 %，Μο7.0%,W6.5%, V6.5%,余量為Fe)對接接頭真空釬焊:ff-Cu復合材料和Fe基粉末合金試樣尺寸均為20mmX 20mmX 6mm，待奸焊面為20mmX 6mm截面。
[0031]釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為:Mn7.0%,Co4.5%,N1.5%,Zr4.5%,Til.5%,余量為Cu。釬料厚度為100 μπι。
[0032]上述用于釬焊W-Cu復合材料與Fe基粉末合金的釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0033]I)按質(zhì)量百分比稱取高純度的70gMn片、45gCo顆粒、5gNi顆粒、45gAg顆粒、15Ti顆粒和820gCu顆粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20°C左右的溫度下進行超聲清洗 20min ；
[0034]2)將步驟(I)超聲清洗后的混合物在30?50°C的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
[0035]3)將混合物Mn、Co、N1、Zr、T1、和Cu采用真空感應熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
[0036]4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為 150 μπι ;
[0037]5)關閉爐門，采用機械栗抽真空至1.5X103Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不低于9 X 10 5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至220?250mbar ；
[0038]6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速!^在28m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60?80s ;
[0039]7)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 30?60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅棍表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為90 μπι。
[0040]釬焊工藝步驟為:
[0041](I)準備階段:對待釬焊的W-Cu復合材料和Fe基粉末合金試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W7號金相砂紙進行研磨光滑，將W-Cu復合材料、Fe基粉末合金及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗20min，并進行烘干處理；
[0042](2)裝配階段:將清洗后的釬料箔片置于Fe基粉末合金與W-Cu復合材料待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.06MPa的恒定垂直壓力；
[0043](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5 X 10 3Pa的釬焊設備中，首先以10°C /min的速率升溫至300°C，保溫20min，再以4°C /min的速率繼續(xù)升溫至750°C，保溫時間15min，再以10 °C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1000 °C，保溫時間45min，再以3°C /min的速率冷卻至800°C，保溫時間lOmin，最后以7°C /min的速率冷卻至4500C，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0044]結(jié)果:釬焊獲得的W-Cu復合材料與Fe基粉末合金接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫四點彎曲強度為676MPa。
[0045]實施例2:
[0046]W-Cu復合材料(W重量占55 %，Cu重量占4