一种复合钎料及其钎焊TC4钛合金的方法与流程

本发明涉及钎焊领域，具体涉及一种复合钎料及其钎焊tc4钛合金的方法。

背景技术

tc4是目前使用最为广泛的钛合金，它具有(α+β)两相结构及优异的力学性能，其强度、塑性和损伤容限等性能匹配较佳在航空航天、生物医药、新能源、信息行业等领域广泛应用。钛合金熔点高，导热性差，在焊接钛合金时，焊后较大的冷却速度容易导致钛合金转变形成α′马氏体相，导致接头强度硬度升高，而塑性降低；焊缝及热影响区高温停留时间较长，晶粒长大倾向明显；且与碳、氮、氧元素亲和力强，易出现粗大晶粒和接头脆化现象，造成接头的塑性和韧性下降。钎焊技术可以实现局部或微小区域快速加热完成钎焊过程，其热源在工作时能大幅降低无效的热量输入，因此在满足焊接要求的最低温度条件下可大幅降低焊接峰值温度。

普通的晶态钎料，为共晶或近共晶成分，多由脆性元素构成，且需使用钎剂，高温下易产生缺陷；并且由于过冷度的原因，微观结构以树枝晶为主，并伴有偏析，这将对接头的强度，尤其塑韧性造成严重恶化。

与晶态钎料相比，非晶钎料化学成分均匀，在钎焊过程中，熔化、铺展几乎同时完成，这就使得钎缝组织均匀，有利于提高接头性能。因此，非晶钎料已经成为材料钎焊领域中的一个非常重要的研究方向。目前，tc4合金的钎焊普遍使用的非晶态钎料为ti37.5zr37.5ni10cu15，虽其接头牢固，性能较tc4钛合金的直接焊接和晶态钎料焊接均有所提高，但脆性仍然较大。这是因为，非晶合金虽然具有高弹性极限、高强度和高硬度等优异的力学性能，但是，由于没有晶粒、晶界的存在，其塑性变形本质上是高密度的局域剪切带的不均匀流动，在没有约束的条件下，材料将沿着某个主剪切带迅速扩展直至断裂发生，导致其在宏观上基本表现不出塑性变形的特征，不具备室温宏观塑性变形的能力，并且会在毫无征兆的情况下发生灾难性断裂。因此，非晶钎料的使用仍不能使钎焊接头的性能完全与母材匹配。

中国发明专利zl201410773318.3《一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料》公开了一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料，其内部具有增强相，能够可阻碍非晶基体中单一剪切带的快速扩展，但可惜无能促进多重剪切带的增殖，从而使应力重新分布，到达延缓材料的最终断裂，提高非晶合金的塑性的目的。

因此，一种能够促进多重剪切带的增殖，从而使应力重新分布，进而提高tc4钛合金焊接接头性能的钎焊材料及其钎焊方法称为解决问题的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种的复合钎料，具有良好的应力分布。

本发明还有一个目的在于提供一种的复合钎料钎焊tc4钛合金的方法，具有良好的钎焊性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种复合钎料，包括：

ti30-40zr24-33mo5-10cu7-18be13-23；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti13-26zr26-36mo1.5-2.5cu10-12be24-44；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti34-67zr12-40mo7.5-18.5cu2-26be2-20，增强相的体积分数为50％。

优选的是，原子百分比表达式为：

ti32zr27mo8cu13be20；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti20zr29mo2cu11be38；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti44zr25mo14cu15be2，增强相的体积分数在50％。

一种复合钎料钎焊tc4钛合金的方法，包括：

a、将所述ti30-40zr24-33mo5-10cu7-18be13-23；复合钎料熔化得到熔融液，利用气体雾化法得到复合非晶粉末；

b、将复合非晶粉末通过冷喷涂法喷涂至待连接端面，喷涂厚度为5～15μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度900～930℃下进行钎焊，保温15～25min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：

ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；

其中，在步骤a中所述复合钎料内基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti13-26zr26-36mo1.5-2.5cu10-12be24-44；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti34-67zr12-40mo7.5-18.5cu2-26be2-20，增强相的体积分数为50％。

优选的是,所述复合钎料内的原子百分比表达式为：ti32zr27mo8cu13be20；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti20zr29mo2cu11be38；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti44zr25mo14cu15be2，增强相的体积分数在50％。

优选的是,在步骤a中所述ti30-40zr24-33mo5-10cu7-18be13-23复合钎料的熔化温度为890～900℃，时间为2～5min。

优选的是,在步骤a中所述气体雾化方法为高速气流以80～100khz的频率和2～2.5马赫的高速度冲击熔融液，获得直径50～100μm的复合非晶粉末。

优选的是,在步骤b中所述冷喷涂法条件为在he气氛环境下,气体温度为500～600℃、喷涂压力0.6～0.9mpa。

优选的是,在步骤e中所述风速ν为4～16m/s，冷却空气的温度τ为12～16℃，冷却时间为1.5min～15min。

本发明的有益效果是：钎料内部具有增强相，不仅能够可阻碍非晶基体中单一剪切带的快速扩展，还能够促进多重剪切带的增殖，从而使应力重新分布，到达延缓材料的最终断裂，提高非晶合金的塑性的目的。

附图说明

图1为实施例i获得的钎焊件的金相显微组织图；

图2为实施例i获得的钎焊件的扫描电镜图；

图3为实施例i获得的钎焊件的eds线扫描图；

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

ti32zr27mo8cu13be20；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti20zr29mo2cu11be38；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti44zr25mo14cu15be2，增强相的体积分数在50％。

实施例2

ti30zr33mo7cu7be23；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti13zr36mo2.5cu12be36.5；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti47zr30mo11.5cu2be9.5，增强相的体积分数为50％。

实施例3

ti40zr24mo10cu10be16；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti26zr36mo2cu12be24；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti54zr12mo18cu8be8，增强相的体积分数为50％。

实施例4

ti32zr32mo5cu18be13；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti25.5zr36mo2.5cu12be24；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti38.5zr28mo7.5cu24be2，增强相的体积分数为50％。

实施例5

ti31zr24mo10cu12be23；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti24.5zr36mo1.5cu12be26；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti37.5zr12mo18.5cu12be20，增强相的体积分数为50％。

实施例6

ti30zr24mo5cu18be23；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti18zr26.5mo1.5cu10be44；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti42zr21.5mo8.5cu26be2，增强相的体积分数为50％。

实施例7

ti33zr33mo5cu9be20；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti21.5zr26mo2.5cu12be38；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti44.5zr40mo7.5cu6be2，增强相的体积分数为50％。

实施例8

ti40zr25mo5cu7be23；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti13zr30.5mo2.5cu10be44；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti67zr19.5mo7.5cu4be2，增强相的体积分数为50％。

实施例9

ti30zr33mo5cu9be23；

其中，在所述复合钎料内，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti26zr27mo1.5cu9.5be36；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti34zr40mo7.5cu8.5be10，增强相的体积分数为50％。

对比例1

ti45zr25mo5cu6be19；

其中，，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti30zr40mo5cu5be20；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti60zr10mo5cu7be18，增强相的体积分数为50％。

对比例2

ti44zr26mo4cu8be18；

其中，，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti24zr32mo1.5cu15be27.5；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti64zr20mo6.5cu1be8.5，增强相的体积分数为50％。

对比例3

ti45zr23mo4cu8be20；

其中，基体相为钛基金属玻璃，其原子百分比表达式为；ti24zr32mo3.5cu9be31.5；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其原子百分比表达式为：ti66zr14mo4.5cu7be8.5，增强相的体积分数为50％。

实施例i

a、选取实施例1作为复合钎料。将所述复合钎料在895℃下，熔融3min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以500khz的频率和2.3马赫的高速度冲击熔融液，获得直径80μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为550℃、喷涂压力0.7mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为10μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度920℃下进行钎焊，保温20min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为8m/s，冷却空气的温度τ为14℃，冷却时间为5min。

实施例ii

a、选取将实施例2作为复合钎料。将所述复合钎料在890℃下，熔融5min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以80khz的频率和2.5马赫的高速度冲击熔融液，获得直径50μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为600℃、喷涂压力0.6mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为15μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度900℃下进行钎焊，保温25min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为4m/s，冷却空气的温度τ为16℃，冷却时间为1.5min。

实施例iii

a、选取将实施例3作为复合钎料，将所述复合钎料在900℃下，熔融2min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以100khz的频率和2马赫的高速度冲击熔融液，获得直径100μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为500℃、喷涂压力0.9mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为5μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度930℃下进行钎焊，保温15min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为16m/s，冷却空气的温度τ为12℃，冷却时间为15min。

实施例iv

a、选取将实施例4作为复合钎料，将所述复合钎料在891℃下，熔融3min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以82khz的频率和2.1马赫的高速度冲击熔融液，获得直径60μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为520℃、喷涂压力0.7mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为6μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度910℃下进行钎焊，保温16min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为5m/s，冷却空气的温度τ为15℃，冷却时间为2min。

实施例v

a、选取将实施例5作为复合钎料，将所述复合钎料在892℃下，熔融2.5min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以85khz的频率和2.2马赫的高速度冲击熔融液，获得直径70μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为510℃、喷涂压力0.65mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为12μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度9015℃下进行钎焊，保温21min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为6m/s，冷却空气的温度τ为13℃，冷却时间为8.5min。

实施例vi

a、选取将实施例6作为复合钎料，将所述复合钎料在893℃下，熔融3.5min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以85khz的频率和2.5马赫的高速度冲击熔融液，获得直径80μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为560℃、喷涂压力0.65mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为12μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度920℃下进行钎焊，保温22min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为12m/s，冷却空气的温度τ为13℃，冷却时间为9min。

实施例vii

a、选取将实施例7作为复合钎料，将所述复合钎料在899℃下，熔融4.5min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以98khz的频率和2.4马赫的高速度冲击熔融液，获得直径90μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为590℃、喷涂压力0.68mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为13μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度925℃下进行钎焊，保温24min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为4m/s，冷却空气的温度τ为13℃，冷却时间为13min。

实施例viii

a、选取将实施例8作为复合钎料，将所述复合钎料在896℃下，熔融3.5min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以88khz的频率和2.4马赫的高速度冲击熔融液，获得直径66μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为595℃、喷涂压力0.8mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为11μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度915℃下进行钎焊，保温19min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为13m/s，冷却空气的温度τ为15℃，冷却时间为6min。

实施例ix

a、选取将实施例9作为复合钎料，将所述复合钎料在897℃下，熔融4min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以90khz的频率和2.3马赫的高速度冲击熔融液，获得直径70μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为550℃、喷涂压力0.65mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为11μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度911℃下进行钎焊，保温18min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为6m/s，冷却空气的温度τ为13℃，冷却时间为8min。

对比例i

a、选取对比例1作为复合钎料。将所述复合钎料在895℃下，熔融3min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以500khz的频率和2.3马赫的高速度冲击熔融液，获得直径80μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为550℃、喷涂压力0.7mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为10μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度920℃下进行钎焊，保温20min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为8m/s，冷却空气的温度τ为14℃，冷却时间为5min。

对比例ii

a、选取对比例2作为复合钎料。将所述复合钎料在895℃下，熔融3min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以500khz的频率和2.3马赫的高速度冲击熔融液，获得直径80μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为550℃、喷涂压力0.7mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为10μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度920℃下进行钎焊，保温20min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为8m/s，冷却空气的温度τ为14℃，冷却时间为5min。

对比例iii

a、选取对比例3作为复合钎料。将所述复合钎料在895℃下，熔融3min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以500khz的频率和2.3马赫的高速度冲击熔融液，获得直径80μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为550℃、喷涂压力0.7mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为10μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度920℃下进行钎焊，保温20min；

e、钎焊后采用空冷，按照降温速率函数对其进行降温，直至室温即可得到钎焊件，所述降温速率函数为：ν为风速m/s，τ为冷却空气的温度℃，s为钎焊点的面积m²，t为冷却时间；风速ν为8m/s，冷却空气的温度τ为14℃，冷却时间为5min。

对比例iv

a、选取实施例1作为复合钎料。将所述复合钎料在895℃下，熔融3min,熔化后得到熔融液，再在用高速气流以500khz的频率和2.3马赫的高速度冲击熔融液，获得直径80μ的复合非晶粉末。

b、将复合非晶粉末在he气氛环境下,气体温度为550℃、喷涂压力0.7mpa喷涂至待连接端面，喷涂厚度为10μm；

c、将工装夹具组成焊接件，使待焊的tc4钛合金端面紧密接触；

d、在温度920℃下进行钎焊，保温20min；

e、钎焊后采用空冷，匀速冷却10℃/s，直至室温。

数据分析

对由实施例i-ix和对比例i-iv所得的焊件进行测试，结果见表1；

表1

由表1可以看出，按照本发明方法钎焊的tc4钛合金，在铺展状态、润湿角、元素扩展和拉伸性能上具明显的优越性。

图1是实施例i获得的钎焊件金相显微组织图；图2是实施例i获得的钎焊件的扫描电镜(sem)图；图3是实施例ieds线扫描分析图；由图1-3可以看出钎料在母材表面充分铺展，在保证钎焊间隙的条件下，钎料与母材之间结合良好，钎料组织与α型钛合金组织类似；界面组织完全为魏氏体组织，界面未见析出物。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。