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专利名称：一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211378822.4

专利申请（专利权）人：辽宁工业大学
权利人地址：辽宁省锦州市古塔区士英街169号

专利发明（设计）人：陈明华,李克,徐瑞强,隋新坤,伍复发

专利摘要：本发明公开了一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法，将TiZr基非晶钎料加入到钛合金的钎焊中，Ti基非晶合金强度高、耐蚀性好，Zr元素与Ti元素同族互溶，TiZr基钎料熔点进一步降低，具有成分可调、化学成分均匀、使用方便、流动性好、铺展性好等优点，能有效的克服目前技术的不足，提高钎焊质量。

主权利要求：
1.一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金，其特征在于：包括两片Ti60钛合金母材，两片所述Ti60钛合金母材的连接处通过TiZr基非晶钎焊料条带固定；
所述TiZr基非晶钎焊料条带采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15；
钎焊为：将装配好的试样置于真空炉，以5℃/min升温速度从室温升至500℃，再以10℃/min升至预设的钎焊温度，在此温度下保温，最后停止加热，保持真空炉处于真空状态冷却至室温；
钎焊温度为1000?1040℃，保温时间为15?30min。
2.根据权利要求1所述的TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金，其特征在于：所述Ti60钛合金母材所含化学元素及质量分数为：Al5.8％，Sn4％，Zr4％，Nb0.7％，Ta1.5％，Si0.4％，C0.06％，其余为Ti和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
3.根据权利要求1所述的TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金，其特征在于：两片所述Ti60钛合金母材通过搭接连接、T型连接、斜角连接、弯边连接或锁边连接。
4.一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.通过线切割得到Ti60钛合金母材；
S2.制备TiZr基非晶钎焊料条带；所述TiZr基非晶钎焊料条带采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15；
S3.将Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行表面处理；
S4.将表面处理好的Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行装配；
S5.将装配好的Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带放入真空炉内进行钎焊；钎焊为：将装配好的试样置于真空炉，以5℃/min升温速度从室温升至500℃，再以10℃/min升至预设的钎焊温度，在此温度下保温，最后停止加热，保持真空炉处于真空状态冷却至室温；钎焊温度为1000?1040℃，保温时间为15?30min；
S6.焊接完成随炉冷却至室温后打开真空炉，得到TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金。
5.根据权利要求4所述的TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金的制备方法，其特征在于：步骤S2具体包括：S21.设计钎料成分；
S22.按照步骤S21中的成分进行配料；
S23.将步骤S22中的原料进行真空熔炼；
S24.通过甩带得到TiZr基非晶钎焊料条带。
6.根据权利要求5所述的TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述表面处理为：将Ti60钛合金母材的待焊面进行打磨直至露出金属光泽，使钎焊时接触面平整光滑，无氧化层，再使用超声波清洗仪对Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行超声波清洗，最后进行烘干。
7.根据权利要求5所述的TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述装配为：将两片Ti60钛合金母材采用搭接方式装配，两片Ti60钛合金母材之间铺设TiZr基非晶钎焊料条带，用钨丝将两片Ti60钛合金母材捆紧制成钎焊样品，将样品置于石英管中抽高真空封管。 说明书 : 一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法。背景技术[0002] Ti60钛合金是一种近α型高温钛合金，该材料具有良好的高温性能、组织稳定性能，能在600℃以上的高温环境内长期工作，因此适用于在航空航天、石油化工、船舶制造等领域的高温环境下使用。近些年对钛合金结构件的应用愈加广泛，实现钛合金的高质量连接具有广阔的应用前景。[0003] 由于钛优异的力学和耐腐蚀性能，作为航空航天和海洋等领域常用的战略资源，国内外对钛及其合金用钎料的研究资料非常丰富，当前钛及其合金用钎料主要包括银基钎料、铝基钎料、钛基钎料和钯基钎料等，银基和铝基钎料钎焊温度低，远远低于钛及其合金α→β相变温度，钎焊过程几乎不损害母材的组织和性能，铝基钎料对钛母材的溶蚀也很。浅Ｊ屎嫌诜湮呀峁够蚧蝗绕鞯缺”诮峁沟那ズ，但是它们的钎焊接头强度较低剪切强度往往在200Pa以下，铝基钎料只有几十兆帕，而且接头耐腐蚀性能较差，在腐蚀性介质中会造成失效。钛基钎料溶蚀。ズ附油非慷雀，耐腐蚀性好，可以得到性能优异的钎焊接头，钛基钎料往往选用能与Ti形成低熔共晶的Cu、Ni等作为降熔元素，加入能与Ti同族互溶的Zr使熔点进一步降低得到TiZr系钎料，一些有益合金元素的加入能够进一步降低钎料熔点或对钎缝组织进行调控。但是钛基钎料熔化温度高，要在较高温度下进行钎焊，可能导致母材发生β转变，且其本身易脆化，难以加工成形，且焊缝部分存在易腐蚀、易断裂的缺点。[0004] 现有的钛合金钎焊一般采用晶态钎料，普通晶态材料多为共晶或近共晶成分，多由脆性元素构成，往往制成粉状或膏状，使用不便，且需使用钎剂，高温下易产生缺陷；钎焊加工后，钎缝成为整个工件的薄弱点，钎焊接头强度较低、耐腐蚀性能较差；晶态钎料比非晶钎料熔化温度高，钎焊过程中可能发生母材熔蚀现象，造成焊接缺陷。[0005] 国内外现有的钎焊技术中，对TiZr基非晶钎料钎焊Ti60钛合金没有涉及，因此，本发明旨在提供一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法，将TiZr基非晶钎料加入到钛合金的钎焊中，Ti基非晶合金强度高、耐蚀性好，Zr元素与Ti元素同族互溶，TiZr基钎料熔点进一步降低，具有成分可调、化学成分均匀、使用方便、流动性好、铺展性好等优点，能有效的克服目前技术的不足，提高钎焊质量。发明内容[0006] 本发明的目的是提供一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法，以解决上述现有技术中存在的问题。[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：[0008] 本发明提供一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金，包括两片Ti60钛合金母材，两片所述Ti60钛合金母材的连接处通过TiZr基非晶钎焊料条带固定。[0009] 优选地，所述Ti60钛合金母材所含化学元素及质量分数为：Al5.8％，Sn4％，Zr4％，Nb0.7％，Ta1.5％，Si0.4％，C0.06％，其余为Ti和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。[0010] 优选地，两片所述Ti60钛合金母材通过搭接连接、T型连接、斜角连接、弯边连接或锁边连接。[0011] 优选地，所述TiZr基非晶钎焊料条带采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15。[0012] 本发明还提供了上述TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金的制备方法，包括以下步骤：[0013] S1.通过线切割得到Ti60钛合金母材；[0014] S2.制备TiZr基非晶钎焊料条带；[0015] S3.将Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行表面处理；[0016] S4.将表面处理好的Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行装配；[0017] S5.将装配好的Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带放入真空炉内进行钎焊；[0018] S6.焊接完成随炉冷却至室温后打开真空炉，得到TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金。[0019] 优选地，步骤S2具体包括：[0020] S21.设计钎料成分；[0021] S22.按照步骤S21中的成分进行配料；[0022] S23.将步骤S22中的原料进行真空熔炼；[0023] S24.通过甩带得到TiZr基非晶钎焊料条带。[0024] 优选地，步骤S3中，所述表面处理为：将Ti60钛合金母材的待焊面进行打磨直至露出金属光泽，使钎焊时接触面平整光滑，无氧化层，再使用超声波清洗仪对Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行超声波清洗，最后进行烘干。[0025] 优选地，步骤S4中，所述装配为：将两片Ti60钛合金母材采用搭接方式装配，两片Ti60钛合金母材之间铺设TiZr基非晶钎焊料条带，用钨丝将两片Ti60钛合金母材捆紧制成钎焊样品，将样品置于石英管中抽高真空封管。[0026] 优选地，步骤S5中，所述钎焊为：将装配好的试样置于真空炉，以5℃/min升温速度从室温升至500℃，再以10℃/min升至预设的钎焊温度，在此温度下保温，最后停止加热，保持真空炉处于真空状态冷却至室温。[0027] 优选地，钎焊温度为1000?1040℃，保温时间为15?30min。[0028] 本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：[0029] 1、使用TiZr基非晶合金钎料代替传统的晶态钎料进行Ti60钛合金钎焊，克服现有技术中钎缝强度低、易腐蚀的缺点。[0030] 2、在钎料成分设计中加入能与Ti元素同族互溶的Zr元素得到TiZr系钎料，使钎料熔点进一步降低，可降低对母材组织的影响，还可对钎缝组织进行调控，以提高钎缝质量。[0031] 3、非晶钎料成分可调，合金化程度高，方便使用。普通晶态材料多为共晶或近共晶成分，多由脆性元素构成，往往制成粉状或膏状，使用不便，且需使用钎剂，高温下易产生缺陷。非晶态钎料采用快速凝固方法制成，合金化程度高，成分可调性强，TiZr基非晶态钎料具有一定的延展性，并直接制备成条带状，可预先将待焊件装配成所需形状，将钎料精确装入焊缝，可显著提高接头强度及可靠性，达到精确焊接的目的。[0032] 4、非晶钎料化学成分均匀，钎焊质量高、耐腐蚀性好。非晶态钎料经过快速凝固，使得原子来不及扩散，保持了内部原子杂乱无序的排布状态，故组织均匀性好，加热时可在相当小的温度范围内融化，钎焊时间大幅度缩短，偏析显著减少，扩散深度增加，钎焊质量和耐腐蚀性能大大提高。[0033] 5、TiZr基非晶钎料熔点低、流动性好、铺展性好，故熔点较传统材料有所降低，所以在焊接过程中产生的热应力及晶粒长大现象大大减少，焊接质量有所提高。[0034] 6、TiZr基非晶钎料铺展性好，非晶态钎料熔化温度范围小、熔化时间短，具有良好的顺势流动性，毛细吸附作用发挥充分，焊接质量有所提高。[0035] 7、TiZr基非晶钎料钎焊薄壁焊件质量高。钎焊过程中母材不融化，且非晶态钎料钎焊温度低、钎焊时间段，不会发生母材熔蚀现象。[0036] 8、通过实验确定最佳钎焊温度和保温时间，有利于合金元素扩散，减少钎缝金属间化合物数量，提高钎焊质量。。附图说明[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0038] 图1为本发明本发明提供的一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金的制备方法中装配示意图；[0039] 图中：1：Ti60钛合金母材、2：TiZr基非晶钎焊料条带。具体实施方式[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0041] 本发明的目的是提供一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法，以解决现有技术存在的问题。[0042] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0043] 实施例1：[0044] 本实施例提供一种TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金及其制备方法，如图1所示，包括两片Ti60钛合金母材1，两片Ti60钛合金母材1相互搭接，且二者的连接处通过TiZr基非晶钎焊料条带2钎焊固定。[0045] 其中，Ti60钛合金母材1所含化学元素及质量分数为：Al5.8％，Sn4％，Zr4％，Nb0.7％，Ta1.5％，Si0.4％，C0.06％，其余为Ti和不可避免的杂质，质量分数共计为100％；通过线切割得到10mm×10mm×2mm方形母材以及100mm×10mm×2mm条形母材。[0046] TiZr基非晶钎焊料条带2采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15，其制备方法为包括：[0047] 步骤一：设计钎料成分；通过查阅文献总结不同元素对钎焊接头的微观形貌，界面反应及力学性能的影响，设计本发明所用的钎焊料成分，本发明涉及Ti、Zr等元素，TiZr系钎料使钎料熔点进一步降低，可对钎缝组织进行调控；[0048] 步骤二：按照步骤一中的成分进行配料；按步骤一设计的钛基多组元非晶合金的成分表达式进行配料，称量时精确到小数点后3位，每一个合金锭重量为15g克左右，实验中所选金属原材料皆为工业级纯度；[0049] 步骤三：将步骤二中的原料采用高真空非自耗电弧熔炼系统进行真空熔炼；[0050] 步骤四：通过甩带得到TiZr基非晶钎焊料条带2。[0051] 上述材料准备完毕后需要将将Ti60钛合金母材1和TiZr基非晶钎焊料条带2进行表面处理；将Ti60钛合金母材的待焊面进行打磨直至露出金属光泽，使钎焊时接触面平整光滑，无氧化层，再使用超声波清洗仪对Ti60钛合金母材和TiZr基非晶钎焊料条带进行超声波清洗，最后进行烘干；[0052] 清洗完成后将表面处理好的Ti60钛合金母材1和TiZr基非晶钎焊料条带2进行装配；将两片Ti60钛合金母材1采用搭接方式装配，搭接区域面积为10mm×10mm，两片Ti60钛合金母材之间铺设TiZr基非晶钎焊料条带，用钨丝将两片Ti60钛合金母材捆紧制成钎焊样品，将样品置于石英管中，为降低石英管中氧气的浓度，以减少对母材的氧化，实验前用真空泵将管中空气抽走，再通入氩气充满石英管，反复3次，使管内氧气含量降低，以保证焊接质量；[0053] 将装配好的Ti60钛合金母材1和TiZr基非晶钎焊料条带2放入真空炉内进行钎焊；真空炉采用型号为GSL?1600X气氛保护管式高温炉，高温炉以双极硅铂和钼棒热器作为主要的工作发热控制元件，采用99.99％氩气进行保护，额定温度为1600℃，采用一个708P温控器对其进行自动控制的工作温度，具有良好的温度控制精度(±1℃)，除此之外，该管式高温炉还设有一个真空的装置，能够在多种环境下进行工作，很大程度上增加了它的实际应用范围，这种管式高温炉工作温度高、控温精度好、操作简易、维护方便，被广泛应用于工业生产与科学研究；将升温速率设置为5℃/min，从室温升至500℃，再以10℃/min升至设定的焊接温度1000℃，保温15min后随炉冷却至室温，在冷却过程中，对焊接试样进行退火处理，可提高母材性能，有效降低焊接时产生的热应力，降低钎焊焊缝的脆性，即可得到TiZr基非晶钎料真空钎焊Ti60钛合金。[0054] 实施例2：[0055] 本实施例与实施例1相同，区别仅在于保温时间30min。[0056] 实施例3：[0057] 本实施例与实施例1相同，区别仅在于焊接温度控制在1020℃。[0058] 实施例4：[0059] 本实施例与实施例1相同，区别仅在于焊接温度控制在1020℃，保温时间30min。[0060] 实施例5：[0061] 本实施例与实施例1相同，区别仅在于焊接温度控制在1040℃。[0062] 实施例6：[0063] 本实施例与实施例1相同，区别仅在于焊接温度控制在1040℃，保温时间30min。[0064] 将实施例1和实施例2进行对比分析可以看出，在此温度下，利用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15钎料钎焊得到的Ti60接头钎缝成型良好，没有出现钎料未熔化以及未焊透、气孔等缺陷。保温15min的钎缝内组织分为两个区域，即母材两侧的扩散区和钎缝区域，在母材两侧的扩散区有连续分布的形状无规则的灰色棒状组织，钎缝区域存在大量无规则的灰色块状金属间化合物A、深灰色组织B、黑色组织C以及深色组织D；保温30min的钎缝形貌与保温15min的钎缝相类似，母材两侧的扩散区有连续分布的形状无规则灰色棒状组织，钎缝区域存在大块灰色金属间化合物、深色组织、深灰色组织以及黑色组织；将母材侧扩散区放大500倍可以清晰的看出，黑色组织呈片层状分布。[0065] 将实施例3和实施例4进行对比分析可以看出，在此温度下，钎缝成型良好，没有出现钎料未熔化以及未焊透、气孔等缺陷。保温15min的钎缝内组织分为两个区域，即母材两侧的扩散区和钎缝区域，在母材两侧的扩散区有连续分布的形状无规则的灰色棒状组织，钎缝区域存在大量无规则的灰色块状金属间化合物A、深灰色组织B、黑色组织C以及深色组织D的出现；保温30min的钎缝内部组织形貌与保温15min的钎缝相似，在母材的扩散区有连续分布的灰色棒状组织，钎缝区存在大量的尺寸较大的灰色块状组织，其间的深色组织、黑色组织以及深灰色组织将这些金属间化合物分隔开来；将母材侧扩散区放大500倍可以清晰的看出，深色组织中存在树叶状金属间化合物，黑色组织中存在片状金属化合物；将钎缝区放大500倍可以清晰的看出，钎缝区的深色组织形貌与钎缝边缘处相同，可得钎缝的组织形貌主要由灰色组织A、深色组织B、黑色组织C和深灰色组织D组成。[0066] 将实施例5和实施例6进行对比分析可以看出，保温15min的钎缝内组织分为两个区域，即母材两侧的扩散区和钎缝区域，在母材扩散区有连续分布的灰色柱状组织，钎缝区存在灰色块状金属间化合物A、深色组织B、黑色组织C以及深灰色组织D出现；保温30min的钎缝内部组织形貌与保温15min的钎缝相类似；将母材侧扩散区放大500倍可以清晰的看出，钎缝深色组织中存在树叶状金属间化合物，黑色组织中存在片状金属化合物。[0067] 对实施例1?6进行剪切性能实验，相同条件下每个实施例测试3个试样，下表为室温条件下Ti43Zr27Mo5Cu10Be15钎料钎焊Ti60试样的平均剪切强度。[0068][0069] 可见，随着钎焊温度升高，室温状态下接头的强度先增加后减小。采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15作为钎料时，在1020℃保温30min的参数下，接头的平均剪切强度达到最大值530MPa。[0070] 随后对实施例4进行了显微硬度测量，其硬度最大达到450.6HV。[0071] 综上，采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15钎料可以实现Ti60的钎焊连接，在1020℃、保温30min时获得的Ti60/Ti43Zr27Mo5Cu10Be15/Ti60接头典型界面组织为：Ti60/Ti2Cu扩散层/α?Ti+(Ti,Zr)2Cu/Ti2Cu扩散层/Ti60；随着钎焊温度的升高，Ti60/Ti43Zr27Mo5Cu10Be15/Ti60接头内反应越来越充分；两侧母材及钎料中的Ti元素和Zr元素相互扩散，随着钎焊温度的提高以及保温时间的延长，钎缝中的组织逐渐长大并充满钎缝；通过对试件的拉伸强度及显微硬度的分析结果可以发现：使用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15作为钎料钎焊时，在1020℃保温30min的参数下，接头的剪切强度可以达到530MPa。[0072] 本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2022-11-04

专利公开日期：2024-11-01

专利公告号：CN115592298B