专利名称：一种用于C<sub>f</sub>/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的 方法。
背景技术：
陶瓷、陶瓷基复合材料是很有应用前途的高温结构陶瓷材料。但由于陶瓷材料的 加工性能差、耐热冲击能力弱，以及制造尺寸大而且形状复杂的零件较为困难等缺点，通常 需要与金属材料组成复合结构来应用。国内外关于碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)的连接研究，公开报道的 有使用AgCuTi钎料(见《材料科学与工艺》，vol. 17，增刊1，2009，pl_4，作者陈波，熊华 平，程耀永，毛唯，)；Ni基钎料钎焊Cf/SiC自身(见“Cf/SiC陶瓷复合材料与高温合金的高 温钎焊研究”.博士学位论文，作者钢铁研究总院，张勇.2006年6月)，以及采用Ti箔-Cu 箔叠层连接 Cf/SiC 与 Nb 合金的研究结果(Jiangtao Xiong, Jinglong Li，Fusheng Zhang and Weidong Huang, Scripta Materialia55，2006，pl51_154)，其中 Ni 基高温钎料连接 Cf/ SiC自身接头室温四点弯曲强度只有58MPa左右。一方面，采用AgCuTi钎料，或者Ti箔-Cu 箔叠层连接Cf/SiC，其接头耐热温度很难超过500°C ；采用M基钎料钎焊Cf/SiC其接头强 度又太低。另一方面，Cf/SiC复合材料与金属的连接很多都限于该复合材料与钛合金、铌合 金的连接，目前还缺乏Cf/SiC复合材料与高温合金的有效连接方法。Cf/SiC复合材料与高温合金的钎焊连接需要解决两个技术问题，一是设计选取合 适的高温焊料，实现焊料与Cf/SiC复合材料之间界面的牢固连接，二是Cf/SiC复合材料与 高温合金两种被焊材料热膨胀系数差异大(前者约3X IO-6K-1,后者约9 14X IO-6K-1,)， 即使使用了合适的焊料，直接进行Cf/SiC复合材料与高温合金的连接时容易造成接头在焊 后冷却过程中开裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cf/SiC复合材料与高温合金的钎焊连接接头在焊后冷 却过程中不开裂的一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法。本发明的技术 解决方案是，选取TZM合金作为中间过渡层，在被焊的Cf/SiC复合材料与TZM合金中间过 渡层之间选用CuPd-V系或者PdCuAu-V系或者PdCoAu-V系或者PdCo-V系高温焊料，其中， CuPd-V系焊料的成份及重量百分比为=Pd :10. O 59. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量；PdCuAu-V系焊料的成份及重量百分比为Cu :20. O 39. 0，Au :15. O 38. 0，Ni 0. O 5. 0，V 4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCoAu-V系焊料的成份及重量百分比为:Co 21. O 32. 0，Au 8. O 22. 0，Ni 0. O 7. 0，V 4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCo-V系焊料的成份及重量百分比为Co 25. O 39. O，Cu 0. O 4. 0，Ni :0. O 7. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. 0 2. 6，B :0. 0 2. 5，Pd 余量；
在TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间使用成份及重量百分比与上 述相同的CuPd-V系或PdCuAu-V系或PdCoAu-V系或PdCo-V系高温焊料，或传统的Ni基 或Co基钎料；钎焊方法为如下之一，当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20°C以内 时，在装配完成焊料后，通过1130°C 1200°C /10 25min的一次钎焊方法，钎焊时真空度 不低于3 X 10_2Pa，实现Cf/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接；当两个界面所使用的 焊料的熔化温度相差在20°C以上时，先按被焊的Cf/SiC复合材料、含元素V的高温焊料、 TZM合金中间过渡层的顺序进行装配，并按1130°C 1200°C /10 25min的工艺进行第一 次钎辉，钎焊时真空度不低于3X10_2Pa，再在第一次已焊好的接头的TZM合金中间过渡层 与被焊的变形高温合金之间，添加含V元素的高温焊料，或者传统的M基或Co基钎料，通 过1050°C 1110°C /IO 20min的进行第二次钎焊，钎焊时真空度不低于3 X 10_2Pa，完成 Cf/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接。被焊的Cf/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间、TZM合金中间过渡层与被焊 的变形高温合金之间所使用的焊料相同或不同。本发明具有的优点的有益效果是本发明所述用于(^/5比复合材料与变形高温 合金钎焊的方法，既解决了焊料与Cf/SiC复合材料之间界面连接问题，比如本发明选用 CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者PdCo-V系高温焊料，其钎料 熔化温度与传统的系列镍基钎料大体处于同一水平，但对应Cf/SiC陶瓷基复合材料的接头 室温三点弯曲强度从传统镍基钎料对应的58MPa提高至110 170MPa ；本发明还解决了焊 料耐高温问题，比如选用的CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者 PdCo-V系高温焊料，相对于钎焊陶瓷用的传统AgCuTi钎料，本发明使用钎料的熔化温度提 高了 250°C 350°C，从而使其钎焊Cf/SiC复合材料接头耐高温性能明显改善。另外，本发 明选取TZM合金作为中间过渡层，一是该材料它本身耐高温(可在高于1000°C的情况下使 用)，其本身的高温性能优于铌、铌合金、钨、钨合金或者纯钼等在陶瓷或陶瓷基复合材料与 金属连接中较常用的中间过渡层材料，二是其热膨胀系数为5. 3X IO-6IT1,介于被焊的Cf/ SiC复合材料与高温合金之间，并且更接近于被焊的Cf/SiC复合材料，可以有效缓解钎焊连 接后在Cf/SiC复合材料与高温合金连接接头形成的残余热应力，并且同样的含元素V的高 温焊料，或者传统的M基钎料，或者Co基钎料，与TZM合金和被焊的高温合金之间都具有 良好的冶金相容性，最终能够保证获得冶金质量良好而且连接牢固的Cf/SiC复合材料与高 温合金的连接接头。
具体实施例方式选取TZM合金作为中间过渡层，在被焊的Cf/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层 之间选用一种含元素V的高温焊料，如CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温 焊料，或者PdCo-V系高温焊料，这四种焊料的成份及重量百分比依次为=CuPd-V系高温焊 料，Pd :10. O 59. O, V 4. 5 15. 0，Cu 余量；PdCuAu-V 系高温焊料，Cu 20. O 39. O, Au 15. O 38. 0，Ni 0. O 5. 0，V :4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCoAu-V 系高温焊料，Co 21. O 32. 0，Au 8. O 22. 0，Ni 0. O 7. 0，V :4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCo-V 系高温焊料，Co 25. O 39. 0，Cu 0. O 4. 0，Ni :0. O 7. 0，V :4. 5 15. 0，Si :0. O 2. 6，B :0. O 2. 5， Pd余量。而在TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间使用同样的含V元素的高温
4焊料，或者传统的M基，或者Co基高温钎料。当上述两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20°C以内时，可以采取下述的一 步焊接工艺(1)装配，根据连接接头的要求，依次进行被焊的Cf/SiC陶瓷基复合材料、含元素 V的高温焊料、TZM合金中间过渡层、含元素V的高温焊料或者Co基高温钎料、被焊的变形 高温合金之间的装配；各种焊料的形式可以是合金粉末，或者轧制的合金带材，或者急冷态 箔带。(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热至1130°C 1200°C 的钎焊温度，真空度不低于3X 10_2Pa，保温5 30分钟后再随炉冷却至室温。当上述两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20°C以上的，可以采取下述的分 步焊接工艺(1)装配，根据连接接头的要求，先进行被焊的Cf/SiC陶瓷基复合材料、含元素V 的高温焊料、TZM合金中间过渡层之间的装配；含元素V的高温焊料的形式可以是合金粉 末，或者轧制的合金带材，或者急冷态箔带。(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热至1130°C 1200°C 的钎焊温度，真空度不低于3X 10_2Pa，保温5 30分钟后再随炉冷却至室温。(3)再装配，根据连接接头的要求，进行第一次已经连接好的Cf/SiC陶瓷/TZM合 金接头、Ni基钎料、被焊的变形高温合金之间的装配；各种焊料的形式可以是合金粉末，或 者急冷态箔带，或者非晶态带。(4)又一次加热，上述第三步骤焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中， 加热至io5o°c iioo°c的钎焊温度(比第二步加热焊接的温度略低)，真空度不低于 3X 10_2Pa，保温5 20分钟后再随炉冷却至室温。以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述表1给出了本发明技术方案所述工艺方法的21个实施例(被焊的陶瓷基复合材 料均为Cf/Sic复合材料，被焊的变形高温合金为GH783高温合金，或者GH3044高温合金，或 者GH3536高温合金，或者GH2696，或者GH4169高温合金，选用的中间过渡层材料均为TZM 合金)。
上述实施例所述的技术工艺路线，其中含元素V的高温焊料的形式可以是合金粉 末，或者轧制的合金带材，或者急冷态箔带。Ni基或者Co基高温钎料的形式可以是合金粉 末，或者急冷态箔带，或者非晶态带。采用表1所示的实施例1 21，成功地完成了 Cf/SiC陶瓷基复合材料与变形高 温合金接头的连接。接头实物经实际功能考核与试验，接头可以承受局部高达900°C 1000°C的短时(5 20min)高温作用，而且，连接接头经历从高温(900°C 1000°C )到室 温的5 10次循环热震试验后未发生破坏。
权利要求
一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，其特征在于，选取TZM合金作为中间过渡层，在被焊的Cf/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间选用CuPd V系或者PdCuAu V系或者PdCoAu V系或者PdCo V系高温焊料，其中，CuPd V系焊料的成份及重量百分比为Pd10.0～59.0，V4.5～15.0，Cu余量；PdCuAu V系焊料的成份及重量百分比为Cu20.0～39.0，Au15.0～38.0，Ni0.0～5.0，V4.5～15.0，Pd余量；PdCoAu V系焊料的成份及重量百分比为Co21.0～32.0，Au8.0～22.0，Ni0.0～7.0，V4.5～15.0，Pd余量；PdCo V系焊料的成份及重量百分比为Co 25.0～39.0，Cu 0.0～4.0，Ni0.0～7.0，V4.5～15.0，Si0.0～2.6，B0.0～2.5，Pd余量；在TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间使用成份及重量百分比与上述相同的CuPd V系或PdCuAu V系或PdCoAu V系或PdCo V系高温焊料，或传统的Ni基或Co基钎料；钎焊方法为如下之一，当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以内时，在装配完成焊料后，通过1130℃～1200℃/10～25min的一次钎焊方法，钎焊时真空度不低于3×10 2Pa，实现Cf/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接；当两个界面所使用的焊料的熔化温度相差在20℃以上时，先按被焊的Cf/SiC复合材料、含元素V的高温焊料、TZM合金中间过渡层的顺序进行装配，并按1130℃～1200℃/10～25min的工艺进行第一次钎焊，钎焊时真空度不低于3×10 2Pa，再在第一次已焊好的接头的TZM合金中间过渡层与被焊的变形高温合金之间，添加含V元素的高温焊料，或者传统的Ni基或Co基钎料，通过1050℃～1110℃/10～20min的进行第二次钎焊，钎焊时真空度不低于3×10 2Pa，完成Cf/SiC复合材料与变形高温合金的钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，其特 征在于，被焊&Cf/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间、TZM合金中间过渡层与被焊的 变形高温合金之间所使用的焊料相同或不同。
全文摘要
本发明是一种用于Cf/SiC复合材料与变形高温合金钎焊的方法，其特征在于，选取TZM合金作为中间过渡层，在Cf/SiC复合材料与TZM合金中间过渡层之间选用一种含元素V的高温焊料，如CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高温焊料，或者PdCo-V系高温焊料。而在TZM合金中间过渡层与高温合金之间使用同样含元素V的高温焊料，或者传统的Ni基钎料，或者Co基高温钎料，从而通过钎焊方法实现Cf/SiC复合材料与高温合金的连接。连接接头可以承受局部高达900℃～1000℃的短时高温作用。
文档编号B23K1/00GK101920366SQ201010266689
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者李晓红, 毛唯, 熊华平, 程耀永, 陈波 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院