一种高温钎焊用钛基钎料及制备方法与流程

本发明涉及一种高温钎焊用钛基钎料及制备方法。

背景技术：

钛合金、钛铝合金具有较低的密度、抗高温氧化性和良好的高温力学性能，成为制造航空、航天、核能和化工用高温部件的优质材料。当前钛合金、钛铝合金尤其对于拥有精密件、复杂结构的制作工艺中，钎焊对材料和结构的适应性强，具有独特的优势。

钛合金钎焊工艺主要包括：真空钎焊、高频感应钎焊、熔钎焊和搅拌摩擦钎焊等方法。真空钎焊是炉内钎焊，在真空环境下对装配好的钎料的焊件进行整体加热，钎料熔化对而母材保持固态，液态钎料对母材形成润湿并在毛细作用下填缝，对材料和结构适应性强。由于不需要钎剂使得接头美观且综合性能良好。高频感应钎焊是将需要连接的钛合金部件放在感应线圈内，通高频交流电产生感应电磁场，通过在部件表面产生的涡流发热从而熔化钎料实现钎焊的技术。熔钎焊是利用两种母材在熔点上的差异，在焊接时低熔点母材和填充钎料发生熔化，而高熔点母材始终保持固态，与液态金属相互作用，主要适用于钛合金与异种材料连接。

目前钛合金、钛铝合金用钎料有很多种，主要包括：银基、铝基和钛基或钛锆基三种。银基钎料常用于服役温度较低的部件，该钎料在界面区易形成硬度不高的金属间化合物tiag，但与钛的线性膨胀系数差别较大，在应力作用下易产生裂纹，而且价格昂贵。铝基钎料熔点较低，钎焊接头高温性能不佳，限制了钛合金的高温应用范围。钛基钎料中的ti元素在高温环境中能与大多数金属或非金属发生化学反应，从而降低界面能促进钎料合金的润湿性，获得高强度焊接接头。钛基钎料的熔点高，一般在1000℃以上，为使钎焊热循环温度低于母材相转变温度，一般通过添加zr、cu、ni、be等元素降低熔点，并提高润湿性能。现有钛基钎料种类较少，且制备工艺复杂、成本较高。

文章《brazinghighnbcontainingtialalloyusingtini-nbeutecticbrazealloy》(intermetallics,2012,22(3):136-141)研究使用新型tini-nb钎料(ti-40ni-20nb(at.％))钎焊tial合金(ti-45al-5nb-(w,b,y)(at.％))，通过真空电弧重熔法炼锭后用电火花切成片状钎料。结果表明钎料熔点较高，使得在1220℃及以上温度钎焊时接头处出现不规则焊缝。这是由于钎焊温度影响tial合金基体元素向液态钎料的溶解量，导致连接性能下降。过高的钎料液相线温度会对钎焊工艺的制定和接头性能产生不利作用，因此必须严格控制钎料的组分，且电火花切片工艺价格昂贵，不适于批量生产。

中国专利cn102430874a指出现有的钛基钎料中常含有较多的cu和ni元素，虽然其作用是降低钎料液相线温度，但在钎焊时其易于加快钛合金共析转变速度，使得接头中脆性相含量较高并局部富集，降低接头性能。

中国专利cn103286472a提出了一种适用于钛合金、钛铝金属间化合物钎焊的低cu和ni含量tizr基合金钎料，cu和ni质量百分比分别为3％～15％和1％～10％，ti和zr质量比在75％以上，是一种低熔点钎料。但其需要微量添加si、co、fe、al、sn等元素，冶炼工艺困难，且采用真空极冷旋淬法制备箔带，工艺复杂，生产成本高，受设备限制应用局限性较大。

因此，研究一种生产成本低、制备方法简单、加工性能良好的新型低ni和低nb含量的高温钎焊用钛基钎料，适合大规模生产，满足不同材料和构件的钎焊要求，可扩大钎料在高温合金领域用途，对促进钛合金、钛铝合金等高温合金的使用范围具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决采用传统钎料使用温度低、高温环境性能差，及其中传统钛基钎料存在价格昂贵、制备工艺复杂的问题，而提供一种易于加工、使用范围广的高温钎焊用钛基钎料，并提供相应的制备方法。

本发明制备一种高温钎焊用钛基钎料，其特征在于各化学成分的质量百分比为ti：77％～87％，ni：10％～18％，nb：3％～10％，其余为不可避免杂质。

如上所述的高温钎焊用钛基钎料的制备方法，制备步骤如下：

(1)制备合金锭

按照权利要求1所述化学成分配比进行原料称量；将混合原料装入高真空电弧感应炉反复熔炼4～5次保证成分均匀，浇铸冷却成合金锭。

(2)轧制

将制成的合金锭进行轧制获得所需厚度的钎料。

进一步地，按需采用特定的轧制及热处理工艺，制备所需不同厚度规格的钎料。所需钎料厚度较小时，轧制工艺采用热轧、真空退火和温轧相结合的方式。所需钎料厚度小于1.5mm，热轧温度范围为750℃～900℃，退火温度为500℃～600℃，温轧温度为350℃～700℃。

本发明涉及的钎焊材料及制备方法用于钛合金、钛铝合金等高温钎焊领域，为解决现有钛基钎料中ni、cu含量较高而产生大量脆性相，在保证高温性能的同时考虑规模化生产而钎料必需具有良好的塑性加工性能，所以本发明选择ti-ni-nb合金为钎料体系。

本发明所涉及的钛基钎料中各元素发挥的作用如下：

ni相对于钛合金而言属于活性β稳定元素，能够扩大β相区，与ti发生共析转变，可以显著降低熔点，而且通过合金化对于提高接头高温性能和耐腐蚀性有良好的作用。但ni含量较高时，会形成大量的脆性金属间化合物(niti、niti2等)，所以在本发明在保证钎料高温性能的同时需合理控制成分配比中其质量分数。

nb元素是β相区的稳定元素，与ti元素无限固溶，nb的加入可提高ti元素活性，可改善焊接接头的高温性能，并降低ti-ni合金的工业生产成分精确控制的难度，在保证合金强度的同时还可提升钎料的加工性能。但nb含量过高也会和ni反应生成ni3nb等金属间化合物。此外nb的添加还可改善钎料的抗氧化性能。

本发明的ni和nb含量较低，两元素最高质量百分比之和不高于23％，在保证低熔点的同时可以有效降低成本，同时使得钎焊时生成的脆性金属间化合物大幅减少，可显著提高接头力学性能。

本发明通过优化控制钎料合金系成分比，使其仍具有相对较低的液相线温度(钎焊温度可低于1150℃，低于ti-fe等钛基钎料的钎焊温度)，但高于传统银基、铝基钎料钎焊温度，达到塑性加工性能-强度的良好匹配，能成功通过轧制工艺制备新型低ni和低nb的钛基钎料。

由于钛基材料对温度等变形参数较为敏感，所以本发明根据所涉及钎料成分合金的变形特征合理优化其塑性加工工艺，按需采用特定轧制及热处理工序，在保证组织均匀性同时可破碎细化脆性相，改善了钎料合金系的脆性，易于后续加工工序，保证了钎料质量的稳定性，可大批量获得不同厚度规格的钎料。

综上，本发明通过优化成分，降低生产成本，保证高温性能，且塑性加工性能优异，可满足轧制工艺生产，制备工序简单，成品率高，采用特定轧制及热处理工艺获得的质量稳定的不同规格厚度钎料，可适用于各种形式接头，利于高温钎焊构件的工业化生产与应用。

附图说明

图1为本发明实施方式1中制备所得钛基钎料合金锭铸态组织的电子扫描形貌图。

图2为本发明实施方式2中温轧所得1mm厚钛基钎料的金相组织图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

实施方式1：本实施方式中的高温钎焊用钛基钎料质量百分比为ti：77％～90％，ni：10％～18％，nb：3％～10％，其余为不可避免杂质。

本实施例中的高温钎焊用钛基钎料的制备方法如下：

(1)制备合金锭按质量百分比ti：77％～87％，ni：10％～18％，nb：3％～10％进行原料称量，将混合原料装入高真空电弧感应炉反复熔炼4～5次保证成分均匀，浇铸冷却成合金锭。

(2)轧制将制的合金锭在850℃～900℃均热后经多道次热轧至1.5mm厚板材，即获得本发明高温钎焊用钛基钎料。图1为本实施方式制备的钛基钎料合金锭微观组织。由图1可以看出冶炼后获得的铸造组织均匀，易于后续加工。

实施方式2：本实施方式与具体实施方式1不同的是，将合金锭热轧(热轧温度范围为750℃～900℃)至2mm后真空退火(退火温度为500℃～600℃)，温轧至1mm厚(温轧温度为350℃～700℃)，经以上特定工艺即获得本发明高温钎焊用钛基钎料。其余与具体实施方式1相同。对该厚度钛基钎料进行金相观察，如图2所示。由图2可以看出，经轧制所得钛基钎料有较少的金属间化合物析出，均匀弥散分布、尺寸较小并呈等轴状形态，而且基体组织晶粒细化，说明在此特定加工工艺下钎料加工性能良好，可满足后续加工工序。

实施方式3：本实施方式与具体实施方式1不同的是，将具体实施方式1中热轧得到的1.5mm厚钎料真空退火(退火温度为500℃～600℃)，温轧至0.5mm厚(温轧温度为350℃～700℃)，经以上特定工艺即获得本发明高温钎焊用钛基钎料。其余与具体实施方式1相同。

实施方式4：本实施方式与具体实施方式3不同的是，为获得厚度尺寸较小的钎料，将具体实施方式3中温轧得到的0.5mm厚钎料，经反复真空退火及两层重叠或单层温轧至0.1mm厚(温轧温度为350℃～700℃)，经以上特定工艺即获得本发明高温钎焊用钛基钎料。其余与具体实施方式3相同。