专利名称：超级镍叠层复合材料与Cr18-Ni8不锈钢的非晶钎焊工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种叠层复合材料的钎焊工艺，尤其涉及超级镍叠层复合材料与不锈钢异种材料的非晶钎焊工艺，属于材料焊接技术领域。
背景技术：
随着航空发动机推重比的提高，对高温材料提出日益苛刻的要求。超级镍叠层复合材料是由超级镍复层与Ni-Cr合金基层通过真空压制而成的一种新型材料，其中超级镍复层厚度仅0. 3 0. 5mm, Ni-Cr合金基层厚度约为2. 0mm。Ni-Cr合金具有低密度、高强度等优势；超级镍复层具有良好的高温抗氧化性和韧性，可以作为韧化元素降低Ni-Cr合金变形时的流变应力和局部流变系数，抑制微裂纹扩展。超级镍叠层复合材料具有低密度以及良好的高温抗氧化性、高温强度，为航空航天、能源动力、石油化工等领域热端部件的发展提供光明前景。中国发明专利申请ZL201010518504. 4，公开了一种采用膏状Ni-Cr-Si-B镍基钎料实现超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢连接的高温钎焊工艺。调制Ni-Cr-Si-B 镍基钎料时，需要加入黏结剂。黏结剂在钎焊过程中受热挥发，容易形成气孔。膏状 M-Cr-Si-B镍基钎料是晶态钎料，组织不是单一相，加热过程中低熔点组分容易与高熔点组分分离，引起成分偏析。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种超级镍叠层复合材料与 CrlS-NiS不锈钢的非晶钎焊工艺，该工艺采用箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料作为填充金属，不需添加黏结剂。非晶钎料成分和组织均勻，在加热过程中几乎同时熔化、铺展，比晶态钎料的润湿性好，能够获得成形良好、无裂纹的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢的高温钎焊接头，满足超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢复合结构的高温使用要求。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢的非晶钎焊工艺，步骤如下(1)焊前对超级镍叠层复合材料和CrlS-NiS不锈钢待连接表面、Ni-Cr-Si-B非晶钎料表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；(2)将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料夹在超级镍叠层复合材料与Crl8_Ni8不锈钢待连接件之间，并用不锈钢工装板夹紧、固定，形成待钎焊件；(3)将上述装配好箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料的超级镍叠层复合材料与Crl8_Ni8 不锈钢待连接件放入真空加热炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1060 1230°C，保温时间 10 25min ；(4)采用循环水将真空室温度冷却至100°C以下时将钎焊件取出。所述步骤(1)中可根据待连接件的尺寸，预先将箔状钎料冲剪成相应的形状，能够准确控制钎料用量，并且能够防止液态钎料溢出，成形美观。
所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和非晶箔状钎料表面油污的去除方法是把超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和非晶箔状钎料分别置于丙酮溶液中超声清洗2 5min，然后用清水冲洗，烘干；所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和非晶箔状钎料表面氧化膜的去除方法是小批量生产时，用砂纸打磨表面至出现金属光泽，然后用酒精冲洗、吹干；所用的砂纸表面太粗糙或太光滑都不利于钎料扩散和铺展，推荐选用600 1200#的砂纸；或大批量生产时，用化学浸蚀的方法除去表面的氧化膜，即把超级镍叠层复合材料、Crl8-Ni8不锈钢和非晶箔状钎料置于HNO3含量为IO1^i2SO4含量为6%、HF含量为 50g/L(均为体积百分比)的水溶液中，在20°C条件下浸蚀5 lOmin，取出用60 70°C热水冲洗后烘干。上述油污的去除方法和氧化膜的去除方法均为常规技术，不属于本发明的发明点，在此不做过多的描述。所述步骤(1)、⑵或⑶中，Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分为Cr 6. 5 7. 5%, Si3. O 5. 0%，B 2. 7 3. 5%，Fe 2. 5 3. 0%，C 彡 0. 02%, Ni 余量，以质量百分比计。所述Ni-Cr-Si-B非晶钎料的固相线温度为972°C，液相线温度为1000°C。所述步骤(3)中，在加热过程中，为防止试样产生裂纹应控制升温速度在10 200C /min，并设置几个保温平台使真空室内部和钎焊件温度均勻。特别是厚度较大的钎焊件，要适当延长保温平台和钎焊过程的保温时间、降低冷却速度。本发明提出采用箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料、无需黏结剂实现超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢连接的真空钎焊工艺。与晶态钎料相比，采用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的成分和组织均勻，在加热过程中均勻地熔化、铺展，具有良好的流动性和润湿性，适于工作温度较高(800 1000°C )的零部件的连接。膏状晶态钎料难以保证较小的钎缝间隙， 而镍基非晶钎料箔的厚度可以控制在10 30 μ m，能够减少脆性相的生成、提高接头质量， 推动超级镍叠层复合材料的应用。本发明提出的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢的非晶钎焊工艺，可形成界面结合良好的钎焊接头，可用于工作温度较高(800 1000°C以上)的耐热零部件的连接；也可应用于超级镍叠层复合材料与其他高温合金、金属间化合物的连接。本发明提出的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢的非晶钎焊工艺，采用箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料，无需钎剂实现了超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢的高温钎焊，并且连接可靠、钎缝成形美观、界面结合稳定，能够发挥超级镍叠层复合材料的高温性能优势，满足航空航天、能源动力、化工设备等领域对高温结构材料的要求。
图1是实施例1示意图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1 厚度为2. 8mm的超级镍叠层复合材料与厚度为2. 8mm的Crl8_Ni8不锈钢平板对接钎焊。待焊表面的长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层复合材料复层的厚度为0. 3mm, Ni-Cr基层的厚度为2. 2mm。具体的非晶钎焊工艺步骤如下(1)根据超级镍叠层复合材料和ClS-NiS不锈钢的尺寸，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成30X2. Smm2的长方形。(2)焊前将待钎焊件置于丙酮溶液中超声清洗:3min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用800#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和箔状钎料表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。(3)将待钎焊件放置在铺有石墨纸的石墨板上，石墨纸的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于接头间隙，待钎焊件用不锈钢工装板夹紧、固定。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分(质量分数)为Cr 7.0%,Si 4.5%, B 3.3%，Fe 2.8%，C 0.02%，其余为 Ni。(4)把固定好的待钎焊件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1080°C，在 1080°C时保温时间为20min，真空度为1. 33X IO^4Pa。加热过程分为如下几个阶段① 室温加热至300°C，加热速度15°C /min ；②保温300°C X5min ；③加热至900°C，加热速度15°C /min ；④保温900°C X IOmin ；⑤加热至1030°C，加热速度13°C /min ；⑥保温 10300C X IOmin ；⑦加热至 1080°C，加热速度 10°C /min ；⑦ 1080°C保温 20min。(5)采用循环水将真空室温度冷却至50°C时把钎焊件取出。获得的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢钎焊接头成形良好，钎缝中无孔洞、裂纹，满足被连接件在较高温度下的使用要求，如图1所示。实施例2 厚度为3mm的超级镍叠层复合材料与厚度为3mm的Crl8_Ni8不锈钢T形连接。待连接件长度30mm，宽度为20mm，超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢尺寸相同。超级镍叠层复合材料复层厚度为0. 3mm, Ni-Cr合金基层的厚度为2. 4mm。具体的真空高温钎焊工艺步骤如下(1)根据超级镍叠层复合材料待钎焊面的尺寸，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成 30 X 3mm2的长方形。(1)将超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和预制成形的箔状钎料置于丙酮溶液中超声清洗細in，取出用冷水冲洗干净后烘干。用800#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料、不锈钢和箔状钎料待钎焊表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。(2)将待钎焊件放置在铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止钎焊件与石墨板粘连。将CrlS-NiS不锈钢水平放置，超级镍叠层复合材料垂直不锈钢放置。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于T形接头间隙。前述待钎焊件用不锈钢工装板夹紧、固定，防止因超级镍叠层复合材料重力将液态钎料挤出。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分 (质量分数)为Cr 6. 8%, Si 4. 5%, B 3. 1%, Fe 2. 3%, C 0.02%，其余为 Ni。(3)把待钎焊件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1100°C，在1100°C时保温时间为15min，真空度为1.33X10_4Pa。加热过程分为如下几个阶段①室温加热至300°C，加热速度15°C /min ；②保温300°C X5min ；③加热至900°C，加热速度15°C /min ；④ 保温900°C X IOmin ；⑤加热至1000°C，加热速度10°C /min ；⑥保温1000°C X IOmin ；⑦加热至 1100°C，加热速度 10°C /min ；⑧ 1100°C保温 15min。(4)真空室温度冷却至80°C时将钎焊件取出。获得的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢T形钎焊接头成形良好，钎缝中无孔洞、裂纹、脆性化合物，满足被连接件在较高温度下的使用要求。实施例3 厚度为2. 8mm的超级镍叠层复合材料与厚度为2. 8mm的Crl8_Ni8不锈钢平板对接钎焊。待焊表面的长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层复合材料复层的厚度为 0. 3mm, Ni-Cr基层的厚度为2. 2mm。具体的非晶钎焊工艺步骤如下(1)根据超级镍叠层复合材料和ClS-NiS不锈钢的尺寸，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成30X2. Smm2的长方形。(2)焊前将待钎焊件置于丙酮溶液中超声清洗5min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用化学浸蚀的方法除去表面的氧化膜，即把待钎焊件置于HNO3含量为10%、H2SO4含量为6%、HF含量为50g/L(均为体积百分比)的水溶液中，在20°C条件下浸蚀10分钟，取出用60°C热水冲洗后烘干。(3)将待钎焊件放置在铺有石墨纸的石墨板上，石墨纸的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于接头间隙，待钎焊件用不锈钢工装板夹紧、固定。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分(质量分数)为Ni 81. 98%,Cr 7.5%, Si 5%, B 3. 5%, Fe 3%, C 0.02%。(4)把固定好的待钎焊件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1060°C，在 1060°C时保温时间为25min，真空度为1. 33X10_Va。加热过程分为如下几个阶段①室温加热至300°C，加热速度20°C /min ；②保温300°C X 3min ；③加热至900°C，加热速度18°C / min ；④保温 900°C X2min ；⑤加热至 1030°C，加热速度 13°C /min ；⑥保温 1030°C X5min ； ⑦加热至1060°C，加热速度10°C /min ；⑧1060°C保温25min。(5)采用循环水将真空室温度冷却至90°C时把钎焊件取出。获得的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢钎焊接头成形良好，钎缝中无孔洞、裂纹，满足被连接件在较高温度下的使用要求。实施例4:厚度为2. 8mm的超级镍叠层复合材料与厚度为2. 8mm的CrlS-NiS不锈钢平板对接钎焊。待焊表面的长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层复合材料复层的厚度为0. 3mm, Ni-Cr基层的厚度为2. 2mm。具体的非晶钎焊工艺步骤如下(1)根据超级镍叠层复合材料和ClS-NiS不锈钢的尺寸，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成30X2. Smm2的长方形。(2)焊前将待钎焊件置于丙酮溶液中超声清洗5min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用化学浸蚀的方法除去表面的氧化膜，即把待钎焊件置于HNO3含量为10%、H2SO4含量为6%、HF含量为50g/L(均为体积百分比)的水溶液中，在20°C条件下浸蚀5分钟，取出用70°C热水冲洗后烘干。
(3)将待钎焊件放置在铺有石墨纸的石墨板上，石墨纸的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于接头间隙，待钎焊件用不锈钢工装板夹紧、固定。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分(质量分数)为Ni 85. 79%, Cr 6.5%, Si 2. 7%, B 2. 5%, Fe 2. 5%, C 0.01%。(4)把固定好的待钎焊件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1230°C，在 1230°C时保温时间为lOmin，真空度为1.33Xl(T4Pa。加热过程分为如下几个阶段① 室温加热至300°C，加热速度18°C /min ；②保温300°C X5min ；③加热至900°C，加热速度15°C /min ；④保温900°C X IOmin ；⑤加热至1030°C，加热速度13°C /min ；⑥保温 10300C X IOmin ；⑦加热至 1230°C，加热速度 10°C /min ；⑧ 1230°C保温 lOmin。(5)采用循环水将真空室温度冷却至90°C时把钎焊件取出。获得的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢钎焊接头成形良好，钎缝中无孔洞、裂纹，满足被连接件在较高温度下的使用要求。实施例5 厚度为3mm的超级镍叠层复合材料与厚度为3mm的CrlS-NiS不锈钢T 形连接。待连接件长度30mm，宽度为20mm，超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢尺寸相同。超级镍叠层复合材料复层厚度为0. 3mm, Ni-Cr合金基层的厚度为2. 4mm。具体的真空高温钎焊工艺步骤如下(1)根据超级镍叠层复合材料待钎焊面的尺寸，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成 30 X 3mm2的长方形。(1)将超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和预制成形的箔状钎料置于丙酮溶液中超声清洗2. 5min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用600#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料、不锈钢和箔状钎料待钎焊表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。(2)将待钎焊件放置在铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止钎焊件与石墨板粘连。将CrlS-NiS不锈钢水平放置，超级镍叠层复合材料垂直不锈钢放置。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于T形接头间隙。前述待钎焊件用不锈钢工装板夹紧、固定，防止因超级镍叠层复合材料重力将液态钎料挤出。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分 (质量分数)为Ni 83. 58%, Cr 6. 8%, Si 3. 5%, B 3. 1%, Fe 3. 0%, C 0. 02%。(3)把待钎焊件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1200°C，在1200°C时保温时间为20min，真空度为1. 33X10_4Pa。加热过程分为如下几个阶段①室温加热至 3000C，加热速度22°C /min ；②保温300°C X 5min ；③加热至900°C，加热速度20°C /min ；④ 保温900°C X5min ；⑤加热至1000°C，加热速度15°C /min ；⑥保温1000°C X IOmin ；⑦加热至 1200°C，加热速度 10°C /min ；⑧ 1200°C保温 20min。(4)真空室温度冷却至90°C时将钎焊件取出。获得的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢T形钎焊接头成形良好，钎缝中无孔洞、裂纹、脆性化合物，满足被连接件在较高温度下的使用要求。实施例6 厚度为3mm的超级镍叠层复合材料与厚度为3mm的Crl8_Ni8不锈钢T形连接。待连接件长度30mm，宽度为20mm，超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢尺寸相同。超级镍叠层复合材料复层厚度为0. 3mm, Ni-Cr合金基层的厚度为2. 4mm。具体的真空高温钎焊工艺步骤如下
(1)根据超级镍叠层复合材料待钎焊面的尺寸，将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料剪成 30 X 3mm2的长方形。(1)将超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢和预制成形的箔状钎料置于丙酮溶液中超声清洗aiiin，取出用冷水冲洗干净后烘干。用1200#砂纸打磨除去超级镍叠层复合材料、不锈钢和箔状钎料待钎焊表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。(2)将待钎焊件放置在铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止钎焊件与石墨板粘连。将CrlS-NiS不锈钢水平放置，超级镍叠层复合材料垂直不锈钢放置。把箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料置于T形接头间隙。前述待钎焊件用不锈钢工装板夹紧、固定，防止因超级镍叠层复合材料重力将液态钎料挤出。所用的Ni-Cr-Si-B非晶钎料的化学成分 (质量分数)为Ni 82. 98%, Cr 7. 2%, Si 4. 2%, B 3%, Fe 2. 6%, C 0. · 02%。(3)把待钎焊件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1150°C，在1150°C时保温时间为22min，真空度为1. 33X10_4Pa。加热过程分为如下几个阶段①室温加热至 300°C，加热速度15°C /min ；②保温300°C X5min ；③加热至900°C，加热速度15°C /min ；④ 保温900°C X7min ；⑤加热至1000°C，加热速度10°C /min ；⑥保温1000°C X IOmin ；⑦加热至 1150°C，加热速度 10°C /min ；⑧ 1150°C保温 22min。(4)真空室温度冷却至70°C时将钎焊件取出。获得的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢T形钎焊接头成形良好，钎缝中无孔洞、裂纹、脆性化合物，满足被连接件在较高温度下的使用要求。
权利要求
1.一种超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢的非晶钎焊工艺，其特征在于，步骤如下(1)焊前对超级镍叠层复合材料和CrlS-NiS不锈钢待连接件表面、Ni-Cr-Si-B非晶钎料表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；(2)将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料夹在超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢待连接件之间，并用不锈钢工装板夹紧、固定；(3)将上述装配好箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料的超级镍叠层复合材料与CrlS-NiS不锈钢待连接件放入真空加热炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1060 1230°C，保温时间10 25min ；(4)采用循环水将真空室温度冷却至100°C以下，将钎焊件取出。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤(1)中根据待连接件的尺寸，预先将箔状钎料冲剪成相应的形状，能够准确控制钎料用量，并且能够防止液态钎料溢出，成形美观。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料、 CrlS-NiS不锈钢待连接件和非晶箔状钎料表面油污的去除方法是把所述超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢待连接件和非晶箔状钎料分别置于丙酮溶液中超声清洗2 5min，然后用清水冲洗，烘干；
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，超级镍叠层复合材料、 CrlS-NiS不锈钢待连接件和非晶箔状钎料表面氧化膜的去除方法是小批量生产时，用砂纸打磨表面至出现金属光泽，然后用酒精冲洗、吹干；所用的砂纸表面太粗糙或太光滑都不利于钎料扩散和铺展，推荐选用600 1000#的砂纸；或大批量生产时，用化学浸蚀的方法除去表面的氧化膜，即把所述超级镍叠层复合材料、CrlS-NiS不锈钢待连接件和非晶箔状钎料分别置于体积百分比为HNO3含量为10%、 H2SO4含量为6%、HF含量为50g/L的水溶液中，在20°C条件下浸蚀5 lOmin，取出用60 70°C热水冲洗后烘干。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤⑴或(2)或(3)中，Ni-Cr-Si-B 非晶钎料的化学成分为Cr 6. 5 7.5%，Si 3. O 5.0%，B 2. 7 3.5%，Fe 2. 5 3. 0%，C彡0. 02%, Ni余量，以质量百分比计。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤C3)中，在加热过程中，为防止试样产生裂纹应控制升温速度在10 20°C /min，并设置若干保温平台使真空室内部和钎焊件温度均勻。
全文摘要
本发明涉及一种超级镍叠层复合材料与Cr18-Ni8不锈钢的非晶钎焊工艺，步骤如下(1)焊前对超级镍叠层复合材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面、Ni-Cr-Si-B非晶钎料表面进行清理，并进行干燥处理；(2)将箔状Ni-Cr-Si-B非晶钎料夹在超级镍叠层复合材料与Cr18-Ni8不锈钢之间，并用不锈钢工装板夹紧、固定；(3)将上述装配好的超级镍叠层复合材料与Cr18-Ni8不锈钢待连接件放入真空加热炉中进行真空钎焊；(4)采用循环水将真空室温度冷却至100℃以下时将钎焊件取出。该工艺不需添加钎剂，非晶钎料成分和组织均匀，比晶态钎料的润湿性好，能够获得成形良好、无裂纹的高温钎焊接头，满足高温使用要求。
文档编号B23K35/30GK102489816SQ20111044079
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者吴娜, 李亚江, 李嘉宁 申请人:山东大学