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CN115194275A - 一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法 - Google Patents

一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，涉及一种异种金属钎焊的方法。本发明是要解决目前Ti合金与Ni基高温合金钎焊接头脆性大、反应剧烈，Ti元素与Ni基高温合金中的元素极易反应生成脆性金属间化合物连续层，造成接头性能减弱的技术问题。本发明通过两步法成功实现了Ti合金与Ni基高温合金的钎焊，添加的Nb软性中间层起到双重作用：第一、成功阻隔了Ti与Ni、Cr、Au等元素的接触，解决了Ti合金与Ni基高温合金钎焊接头中脆性金属间化合物难以抑制的问题；第二、Nb软性中间层成功缓解了Ti合金与Ni基高温合金的热膨胀系数不匹配的问题。

Description

一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法
技术领域
本发明涉及一种异种金属钎焊的方法。
背景技术
随着航空工业的快速发展，航空发动机的设计、材料与制造技术的进步对推进航空工业的发展起着关键性的作用。为提高航空发动机的推重比，在保证发动机性能不减甚至提高的前提下，通过结构设计降低发动机质量，这一轻量化策略是行之有效的。钛及钛合金由于密度小、比强度高、耐腐蚀、抗高温等优异特性，在各个领域获得广泛应用，尤其在航空、航天等领域被用作结构材料、耐热材料、耐蚀材料得到极大关注。Ni基高温合金由于其优异的高强度和高温环境耐腐蚀性，已广泛应用于航空发动机或工业燃气轮机的热端部件，如先进燃气涡轮发动机的扩散器和矢量喷管。实际上，为实现低密度的Ti合金部分替代Ni基高温合金，实现高温服役和显著的减重效果等多种功能，必然涉及两者的连接问题。Ti合金与Ni基高温合金化学成分差异巨大，极易形成Ti-Ni脆性金属间化合物，且两者存在热膨胀系数差异，容易在连接区域诱发裂纹。此外，商用的Ni基和Ti基钎料难以同时与两种母材产生相容性，实现两者的良好结合非常困难。因此，Ti合金与Ni基高温合金异种材料的连接是需要突破的关键技术。
目前对于钛/镍异种材料连接的研究集中于激光焊、固相扩散焊、电子束焊、爆炸焊、摩擦焊和钎焊等。其中，钎焊在异种材料连接中有着广泛的应用，可焊接性能差异较大的异种材料，且可以获得复杂的形状结构。在钎焊过程中钎料熔化而母材不熔化，因此对母材的影响较小，接头表面光洁，气密性好，形状和尺寸较为稳定。有研究人员采用TiZrCuNi钎料钎焊了Ti2AlNb合金与GH536高温合金，由于AlNi2Ti、Al3NiTi2等脆性金属间化合物的生成，裂纹主要的萌生于此，整个接头发生脆性断裂(Chen-yangJiang,etal.Microstructure evolution and mechanical properties of TiAl/GH536 jointsvacuum brazed with Ti–Zr–Cu–Ni filler metal.Intermetallics,2022,142,107468)。还有学者采用Ti基非晶钎料钎焊了TiAl/GH3030，在接头剪切试验中，由于应力集中使得断裂界面发生在Ti(Al,Cu,Ni)和Ti(Al,Cu,Ni)3金属间化合物层中，钎焊接头裂纹沿TiAl母材侧过渡区/中间焊缝界面扩展，表现出层状断口和脆性断裂特征(ShuaiLi,et al.Vacuumbrazing TiAlintermetallics to GH3030alloy with a multi-component Ti-basedfiller metal.Journal of Manufacturing Processes,2021,70,484-493)。
综上所述，Ti合金与Ni基高温合金钎焊的问题在于钎焊接头脆性大、反应剧烈，Ti元素与Ni基高温合金中的元素极易反应生成脆性金属间化合物连续层，是接头的薄弱环节。另外，还要注意钎焊温度要低于Ti合金相变点，防止Ti合金性能弱化，因此开发一种适用于Ti合金与Ni基高温合金异种材料的钎焊方法，将有利于其在工程实际中的应用。
发明内容
本发明是要解决目前Ti合金与Ni基高温合金钎焊接头脆性大、反应剧烈，Ti元素与Ni基高温合金中的元素极易反应生成脆性金属间化合物连续层，造成接头性能弱化的技术问题，而提供一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法。
本发明的用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法是按以下步骤进行的：
一、母材前处理：将切好的母材镍基高温合金和母材钛合金放入酒精中清洗去除在切割过程中表面附着的油污和杂质，然后两个母材的待焊表面依次用600目和1200目的水砂纸逐级打磨去除表面的粗划痕和杂质层，再用金相砂纸打磨掉划痕，最后使用粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行抛光处理使待焊表面光亮；将两个母材、AuNi共晶钎料、AgCuTi钎料和软性中间层Nb箔片浸泡于酒精中进行超声清洗180s～200s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用；所述的软性中间层Nb箔片的厚度为100μm～200μm；
二、第一步钎焊：将步骤一中清洗完的母材镍基高温合金、AuNi共晶钎料和软性中间层Nb箔片在竖直方向上组成三明治结构，AuNi共晶钎料位于中间，每层之间涂覆有机粘结剂，将石墨压块置于三明治结构上，整体放在真空炉中，抽真空，然后升温至300℃～320℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后升温至钎焊温度950℃～1020℃并保温0min～30min，然后降温至300℃～320℃，再随炉冷却至室温，得到半成品接头；
三、第二步钎焊：将步骤二制备的半成品接头的Nb端依次与步骤一中清洗完的AgCuTi钎料和步骤一中清洗完的母材钛合金进行装配，每层之间涂覆有机粘结剂，整体竖直放置，最上方放置石墨压块，整体放在真空炉中，抽真空，然后升温至300℃～320℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后升温至钎焊温度820℃～875℃并保温0min～20min，然后降温至300℃～320℃，再随炉冷却至室温，得到接头。
本发明所述的镍基高温合金母材具有耐高温、高强度，常用于航空发动机的机匣、发动机叶片等热端部件；
所述的钛合金母材具有耐高温、耐腐蚀以及比强度高，也可用于发动机的部件。
本发明从结构件的服役环境及使用性能出发，为了避免Ti元素与Ni元素的过度反应产生金属间化合物，并缓解钛合金与镍基高温合金异种金属间的热错配应力进一步使用添加软性中间层Nb的两步法焊接，采用AuNi共晶钎料高温钎焊连接镍基高温合金与Nb中间层，并采用AgCuTi钎料在低于钛合金的β相变点温度连接第一步焊接样与母材，第二步钎焊的温度低于第一步的钎焊温度是防止温度超过钛合金的相变温度。
本发明通过两步法成功实现了Ti合金与Ni基高温合金的钎焊，添加的Nb软性中间层起到双重作用：第一、成功阻隔了Ti与Ni、Cr、Au等元素的接触，解决了Ti合金与Ni基高温合金钎焊接头中脆性金属间化合物难以抑制的问题；第二、Nb软性中间层成功缓解了Ti合金与Ni基高温合金的热膨胀系数不匹配的问题。
本发明最终制备的接头焊缝中形成以Ag基和AuNi固溶体为主的微观组织，整个接头的强度与塑韧性明显提高。
附图说明
图1为试验四中最终获得的钎焊接头的扫描电子显微镜照片，其中1为镍基高温合金K4648，2为钛合金TA15，3为软性中间层Nb，4为AgCuTi钎料，5为AuNi共晶钎料。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、母材前处理：将切好的母材镍基高温合金和母材钛合金放入酒精中清洗去除在切割过程中表面附着的油污和杂质，然后两个母材的待焊表面依次用600目和1200目的水砂纸逐级打磨去除表面的粗划痕和杂质层，再用金相砂纸打磨掉划痕，最后使用粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行抛光处理使待焊表面光亮；将两个母材、AuNi共晶钎料、AgCuTi钎料和软性中间层Nb箔片浸泡于酒精中进行超声清洗180s～200s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用；所述的软性中间层Nb箔片的厚度为100μm～200μm；
二、第一步钎焊：将步骤一中清洗完的母材镍基高温合金、AuNi共晶钎料和软性中间层Nb箔片在竖直方向上组成三明治结构，AuNi共晶钎料位于中间，每层之间涂覆有机粘结剂，将石墨压块置于三明治结构上，整体放在真空炉中，抽真空至真空度为6×10-3Pa，然后升温至300℃～320℃并保温20min～25min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后升温至钎焊温度950℃～1020℃并保温0min～30min，然后降温至300℃～320℃，再随炉冷却至室温，得到半成品接头；
三、第二步钎焊：将步骤二制备的半成品接头的Nb端依次与步骤一中清洗完的AgCuTi钎料和步骤一中清洗完的母材钛合金进行装配，每层之间涂覆有机粘结剂，整体竖直放置，最上方放置石墨压块，整体放在真空炉中，抽真空，然后升温至300℃～320℃并保温20min～25min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后升温至钎焊温度820℃～875℃并保温0min～20min，然后降温至300℃～320℃，再随炉冷却至室温，得到接头。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的母材镍基高温合金为K4648。其他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：步骤一中所述的母材钛合金为TA15。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中将两个母材、AuNi共晶钎料、AgCuTi钎料和软性中间层Nb箔片浸泡于酒精中进行超声清洗180s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中所述的有机粘结剂为502胶。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中然后升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中然后升温至钎焊温度980℃并保温5min，然后降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到半成品接头。其他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七不同的是：步骤三中所述的有机粘结剂为502胶。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤三中然后升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤三中然后升温至钎焊温度850℃并保温0min，然后降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到接头。其他与具体实施方式七相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、母材前处理：将切好的母材镍基高温合金K4648和母材钛合金TA15放入酒精中清洗去除在切割过程中表面附着的油污和杂质，然后两个母材的待焊表面依次用600目和1200目的水砂纸逐级打磨去除表面的粗划痕和杂质层，再用金相砂纸打磨掉划痕，最后使用粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行抛光处理使待焊表面光亮；将两个母材、AuNi共晶钎料、AgCuTi钎料和软性中间层Nb箔片浸泡于酒精中进行超声清洗180s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用；所述的软性中间层Nb箔片的厚度为100μm；
二、第一步钎焊：将步骤一中清洗完的母材镍基高温合金、AuNi共晶钎料和软性中间层Nb箔片在竖直方向上组成三明治结构，AuNi共晶钎料位于中间，每层之间涂覆有机粘结剂，将石墨压块置于三明治结构上，整体放在真空炉中，抽真空至6×10-3Pa，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至钎焊温度980℃并保温5min，然后在降温速率为5℃/min的条件下降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到半成品接头；所述的有机粘结剂为502胶；
三、第二步钎焊：将步骤二制备的半成品接头的Nb端依次与步骤一中清洗完的AgCuTi钎料和步骤一中清洗完的母材钛合金进行装配，每层之间涂覆有机粘结剂，整体竖直放置，最上方放置石墨压块，整体放在真空炉中，抽真空，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至钎焊温度850℃并保温5min，然后在降温速率为5℃/min的条件下降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到接头；所述的有机粘结剂为502胶。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为163MPa。
试验二：本试验与试验一不同的是：步骤三中钎焊温度830℃并保温5min。其它与试验一相同。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为113MPa。
试验三：本试验与试验一不同的是：步骤三中钎焊温度870℃并保温5min。其它与试验一相同。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为106MPa。
试验四：本试验与试验一不同的是：步骤三中钎焊温度850℃并保温0min。其它与试验一相同。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为185MPa。图1为试验四中最终获得的钎焊接头的扫描电子显微镜照片，其中1为镍基高温合金K4648，2为钛合金TA15，3为软性中间层Nb，4为AgCuTi钎料，5为AuNi共晶钎料。
试验五：本试验与试验一不同的是：步骤三中钎焊温度850℃并保温10min。其它与试验一相同。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为151MPa。
试验六：本试验与试验一不同的是：步骤三中钎焊温度850℃并保温15min。其它与试验一相同。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为125MPa。
试验七：本试验为对比试验，采用一步焊接，具体工艺如下：
一、母材前处理：将切好的母材镍基高温合金K4648和母材钛合金TA15放入酒精中清洗去除在切割过程中表面附着的油污和杂质，然后两个母材的待焊表面依次用600目和1200目的水砂纸逐级打磨去除表面的粗划痕和杂质层，再用金相砂纸打磨掉划痕，最后使用粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行抛光处理使待焊表面光亮；将两个母材和AuNi共晶钎料浸泡于酒精中进行超声清洗180s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用；
二、第一步钎焊：将步骤一中清洗完的两个母材和AuNi共晶钎料在竖直方向上组成三明治结构，AuNi共晶钎料位于中间，每层之间涂覆有机粘结剂，将石墨压块置于三明治结构上，整体放在真空炉中，抽真空至6×10-3Pa，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至钎焊温度1000℃并保温5min，然后在降温速率为5℃/min的条件下降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到成品接头；所述的有机粘结剂为502胶。
钎焊后接头的力学性能参考GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》对所得样品进行抗剪强度测试，测试获得接头的室温抗剪强度为62MPa。

Claims (10)

1.一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法是按以下步骤进行的：
一、母材前处理：将切好的母材镍基高温合金和母材钛合金放入酒精中清洗去除在切割过程中表面附着的油污和杂质，然后两个母材的待焊表面依次用600目和1200目的水砂纸逐级打磨去除表面的粗划痕和杂质层，再用金相砂纸打磨掉划痕，最后使用粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行抛光处理使待焊表面光亮；将两个母材、AuNi共晶钎料、AgCuTi钎料和软性中间层Nb箔片浸泡于酒精中进行超声清洗180s～200s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用；所述的软性中间层Nb箔片的厚度为100μm～200μm；
二、第一步钎焊：将步骤一中清洗完的母材镍基高温合金、AuNi共晶钎料和软性中间层Nb箔片在竖直方向上组成三明治结构，AuNi共晶钎料位于中间，每层之间涂覆有机粘结剂，将石墨压块置于三明治结构上，整体放在真空炉中，抽真空至真空度为6×10-3Pa，然后升温至300℃～320℃并保温20min～25min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后升温至钎焊温度950℃～1020℃并保温0min～30min，然后降温至300℃～320℃，再随炉冷却至室温，得到半成品接头；
三、第二步钎焊：将步骤二制备的半成品接头的Nb端依次与步骤一中清洗完的AgCuTi钎料和步骤一中清洗完的母材钛合金进行装配，每层之间涂覆有机粘结剂，整体竖直放置，最上方放置石墨压块，整体放在真空炉中，抽真空，然后升温至300℃～320℃并保温20min～25min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发；然后升温至钎焊温度820℃～875℃并保温0min～20min，然后降温至300℃～320℃，再随炉冷却至室温，得到接头。
2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤一中所述的母材镍基高温合金为K4648。
3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤一中所述的母材钛合金为TA15。
4.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤一中将两个母材、AuNi共晶钎料、AgCuTi钎料和软性中间层Nb箔片浸泡于酒精中进行超声清洗180s去除表面的杂质，用吹风机吹干待用。
5.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤二中所述的有机粘结剂为502胶。
6.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤二中然后升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发。
7.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤二中然后升温至钎焊温度980℃并保温5min，然后降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到半成品接头。
8.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤三中所述的有机粘结剂为502胶。
9.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤三中然后升温至300℃并保温20min使得装配时添加的有机粘结剂完全挥发。
10.根据权利要求1所述的一种用于钛合金与镍基高温合金异种金属钎焊的方法，其特征在于步骤三中然后升温至钎焊温度850℃并保温0min，然后降温至300℃，再随炉冷却至室温，得到接头。
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