一种用于钎焊Nb‑Ti高温合金的Ni基钎料的制备及钎焊方法与流程

本发明涉及用于钎焊nb基高温合金的钎料制备和钎焊方法，属于焊接材料领域。

背景技术：

nb-ti高温合金是一种新型的具有体心立方结构的(βti,nb)固溶体合金，其具有比镍基合金更高的熔点，良好的室温塑性和中温强度。nb-ti合金不仅力学性能好，而且在nb中加入大量的ti可大大提高nb合金的抗氧化性能。根据ti加入量的不同，这些合金的密度一般为6.2-6.9g/cm³，而高温合金的密度一般为8.1-8.6g/cm³，因此，nb-ti高温合金可以取代ni及高温合金而应用到航天器的关键部件上。作为一种新型的高温材料，要实现nb-ti高温合金的实际应用，其材料连接技术至关重要。目前，常见的高温合金的连接技术主要有三种，分别为熔焊、扩散焊和钎焊。其中，钎焊具有许多优点，如钎焊温度相对较低、可以对复杂形状的结构进行连接、可实现高精度连接，而且可实现异种材料连接，而且工艺简单。因此，钎焊技术在高温材料的连接领域获得广泛的应用。

目前，常见的商用钎料中，ag基、al基和au基钎料钎焊温度较低，钎焊接头的实际服役温度一般都低于500℃，不适合用于nb-ti高温合金的钎焊(materialsscienceandengineeringa,2012,551:133-139)。在高温钎料中，主要以ni基或ti基钎料为主，这类钎料的钎焊温度一般位于1000～1300℃。如ni-cr、ni-cr-si和ni-cr-b等钎料，ti基钎料如ti-ni,ti-zr-cu-ni-co,ti-cu-ni,ti-ni-v和ni-ti-nb等钎料被用于钎料ti3al、tini、镍基高温合金和cf/sic复合材料等(journaloftheeuropeanceramicsociety2003,23:547-553,scienceandtechnologyofweldingandjoining,2011,16(2):193-198,materialsscienceandengineering:a,2015,636:522-528)。使用上述钎料的钎焊接头一般具有较高的结合强度和良好的抗氧化性能，同时，ti、cr和nb等元素为活性元素，可与常见的陶瓷发生界面反应，提高钎焊接头的剪切强度。

针对不同的基体材料，钎料的成分和含量也应不同，但目前有关对nb基高温合金的焊接的报导很少，没有合适的钎焊材料与相关工艺对其进行焊接，本发明主要解决nb-ti高温合金相关钎料和钎焊工艺缺乏的问题。

要实现对nb-ti高温合金良好连接，钎料与钎焊接头应满足以下几个方面要求：①需要寻求熔点尽可能高的钎料，具有良好的抗氧化性能，以满足其高温使用需求；②钎料与nb-ti合金具有良好的润湿性能；③钎焊接头的内应力应比较低，具有足够高的强度。

技术实现要素：

本发明主要解决nb-ti高温合金相关钎料和钎焊工艺缺乏的问题，提供一种真空钎焊nb-ti高温合金的钎料的制备方法和钎焊工艺，本发明的钎料和钎焊方法也可用于其它ni基、ti基和nb基高温合金。

选择合适的钎料对获得高性能的接头以满足基体材料在特定条件下服役至关重要。需要综合考虑钎料与基体材料的之间的物理和化学相容性、润湿性、及相匹配的热膨胀系数等因素。

为了增强钎料与nb-ti基体合金的润湿性能，使钎焊接头具有较高的强度和抗氧化性能，本发明选择ni-ti-nb合金为钎料体系。该钎料体系具有以下几个方面优点：①钎料中的ti元素和nb元素为是基体的主要元素，可以保证钎料与基体具有良好的润湿性；②钎料中的ni元素有两个方面作用，首先是作为熔点调节元素，以调节钎料的熔点；其次是ni元素与基体中的ti和nb均能反应，生成niti2、niti、ni3ti、ni3nb和ninb等金属间化合物，可以达到良好的界面结合；③ni-ti-nb钎料具有良好的塑性，这有利于钎焊接头的塑性变形及应力的释放，同时该合金具有优异的抗高温氧化性能。

一种用于钎焊nb-ti高温合金的ni基钎料的制备方法，其特征在于钎料的组分及含量按原子百分数为：ni：60～70％，ti：20～30％，nb：5～15％。上述钎料的优选成分为：ni：63～67％，ti：20～25％，nb：8～12％。

上述钎料是按下列步骤和工艺制备而成：

(1)准备阶段：选取电解镍(ni)，海绵钛(ti)，铌块(nb)为原料，ni的纯度在99.95％以上，ti和nb的纯度达到99.9％以上；原材料用丙酮溶液和酒精溶液分别超声波清洗10～15min，在室温下干燥；

(2)熔炼阶段：熔炼前，先利用机械泵将炉内真空抽至0.1pa，保持2-4分钟，之后打开分子泵将炉内真空抽至6×10^-2pa以上，再充入高纯氩气；熔炼时，为了使合金成分均匀化，在电磁搅拌作用下合金至少反复熔炼5次以上，真空浇铸；熔炼后称重，样品失重在0.1％以内，认为合金实际成分与名义成分基本一致。

采用上述方法制备的钎料微观组织如图1所示，可以看出钎料元素分布均匀，其中白色菊花状为(βti,nb)连续固溶体，灰白相间的片层状为共晶组织{(βti,nb)+ti2ni}，灰色相为ti2ni相，黑色相为rich-ti相。由钎料合金的dsc曲线(图2)可知，该钎料的熔点约为945.7℃。钎焊过程中钎焊温度应高于钎料熔点，因此设定钎焊温度范围为1050～1200℃。图3为ni-ti-nb钎料在1150℃下在nb-ti高温合金表面的润湿学动力曲线，可以看出钎料与nb-ti高温合金具有良好的润湿性，润湿时间约为3min，最终润湿角约为3.8°。

上述方法和工艺制备的钎料钎焊nb-ti高温合金的钎焊工艺如下：

(1)通过线切割法将钎料切成与待焊基体形状相同的薄片，然后采用2000号砂纸打磨打磨至厚度约为200μm；同时采用2000号砂纸对待焊基体表面进行打磨，去除基体表面的氧化层，用酒精超声清洗钎料与基体材料后吹干。

(2)将钎料放置于nb基高温合金之间，装配成nb-ti/ni-ti-nb/nb-ti合金的结构；将该结构件放入真空钎焊炉中，然后抽真空至真空度为3.0×10^-3pa以上，以5℃/min速率升温至钎焊温度1050～1200℃，钎焊连接5～20min；然后随炉真空冷却至室温，完成焊接。

本发明中，保证nb-ti/ni-ti-nb钎焊接头剪切强度的关键在于控制钎焊接头内脆性相的生成。图4为1150℃下钎焊15min的nb-ti/ni-ti-nb钎焊接头的微观组织照片，可以看出，在焊缝组织中会同时存在四种相，分别为亮灰色的(βti,nb)连续固溶体、菊花状的(βti,nb)+tini共晶组织，深灰色的ti2ni金属间化合物、黑色的富ti相。其中前两种相是韧性相，后两种相是脆性相。当钎焊时间较短时，焊缝组织中主要为(βti,nb)连续固溶体、(βti,nb)+tini共晶组织，还存在部分脆性的ti2ni金属间化合物，随着钎焊时间的延长，焊缝组织中的(βti,nb)连续固溶体、(βti,nb)+tini共晶组织全部消失，仅剩下脆性的ti2ni金属间化合物、富ti相，因此钎焊时间过长，会导致钎焊接头的剪切强度降低。但当钎焊时间过短时，尽管钎料与基体具有良好的润湿性能，但是时间过短会导致钎料中的合金元素与基体反应和扩散不充分，使焊接接头的强度同样较低。因此上述工艺条件的优选范围为：钎焊温度1100～1150℃，钎焊连接10～15min。

本发明的有益效果是：本发明中的ni-ti-nb钎料比传统的ag基、al基和au基钎料钎焊温度要高，可以充分发挥nb-ti合金的高温性能。采用ni-ti-nb钎料钎焊nb基高温合金，其室温剪切强度达到550mpa以上。本发明描述的钎料还可用于其它ni基、ti基和nb基高温合金的钎焊连接。

附图说明

图1为本发明制备的ni-ti-nb钎料铸态组织照片；

图2为本发明制备的钎料的dsc曲线图；

图3为本发明制备的钎料在1150℃下在nb-ti高温合金表面的润湿学动力曲线；

图4为ni-ti-nb钎料在钎焊温度为1150℃，钎焊连接时间为15min的条件下，焊接接头的电子背散射照片；

具体实施方式

制备钎焊nb基高温合金的钎料，钎料的组分及含量按原子百分数为：ni：65％，ti：25％，nb：10％。

钎料制备工艺如下：

(1)准备阶段：选取电解镍(ni)，海绵钛(ti)，铌块(nb)为原料，ni的纯度在99.95％以上，ti和nb的纯度达到99.9％以上；原材料用丙酮溶液和酒精溶液先后分别超声波清洗10～15min，在室温下干燥；

(2)熔炼阶段：熔炼前，先利用机械泵将炉内真空抽至0.1pa，保持3分钟，之后打开分子泵将炉内真空抽至6×10^-2pa以上，再充入高纯氩气；熔炼时，为了使合金成分均匀化，在电磁搅拌作用下合金至少反复熔炼5次以上，真空浇铸；熔炼后称重，样品失重在0.1％以内，认为合金实际成分与名义成分基本一致。

钎焊工艺步骤如下：

(1)通过电火花线切割法将焊料切成0.5mm厚的薄片，形状与待焊nb基高温合金表面相同，钎料和基体均用2000号sic砂纸打磨去除氧化层，然后将钎料和基体在酒精溶液超声波清洗10～15min，在室温下干燥；

(2)讲钎料和基体装配成nb-ti/ni-ti-nb/nb-ti的结构，放入真空钎焊炉中，然后抽真空至真空度为3.0×10^-3pa以上，以5℃/min升温至钎焊温度1050～1200℃，钎焊连接10～20min；最后随炉真空冷却至室温，完成焊接。

实施例：

钎焊温度分别选取1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，钎焊连接时间为10min、15min和20min。下表列出12组实施例中ni-ti-nb钎料焊接nb基合金的钎焊温度、钎焊连接时间以及钎焊接头的力学测试结果：

上述实施例表明，在钎焊温度位于1100-1150℃，钎焊时间为10-15min，钎焊接头的剪切强度可达到550mpa以上，可实现nb-ti高温合金的良好焊接。