碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料、钎料片及其制备方法和钎焊方法

本发明涉及焊接领域，具体是碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料、钎料片及其制备方法和钎焊方法。

背景技术：

1、碳基材料和钛基合金在汽车、电子器件、石油化工、航天航空领域均具有广泛的应用。在实际工程应用中，往往将碳基材料和钛基合金进行连接，形成结构功能一体化的连接构件，从而满足服役环境的苛刻要求。例如，在深海油气管道中石墨和钛合金的连接构件可作为密封静环使用；在航空发动机中sibcn陶瓷和ti2alnb连接构件则可作为喷管过渡接头。

2、目前，采用agcu基钎料进行钎焊连接是制备碳基材料和钛基材料复合构件的主要方法之一。然而，agcu钎料的热膨胀系数较高，焊接后接头中存在较高的残余应力，接头强度较低；agcu钎料的熔点较低，且cu基固溶体的抗氧化性能较差，从而导致接头的高温力学性能较差；agcu钎料中cu和ti具有较强的反应趋势，导致钎料中的cu向钛基合金大量扩散、ti向钎料中大量溶解，从而形成连续的脆性化合物层，劣化接头性能；cu和ti化学亲和能高导致钎料在钛基材料表面的过度流淌，影响焊接精度和美观；钎料在钛基材料上优先铺展也导致碳基材料表面出现未焊合、未润湿等现象。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料、钎料片及其制备方法和钎焊方法，本发明提供的复合钎料用于碳基材料和钛基材料的钎焊，脆性化合物少，具有高的接头强度和高温力学性能。

2、本发明提供了碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，包括：

3、3 wt.%~9 wt.%的tih2；

4、20 wt.%~50 wt.%的nb；

5、余量为agcu28。

6、优选地，所述碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，包括：

7、4 wt.%~8 wt.%的tih2；

8、25 wt.%~35 wt.%的nb；

9、余量为agcu28。

10、更优选地，所述碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，包括：

11、5 wt.%~7 wt.%的tih2；

12、28 wt.%~32 wt.%的nb；

13、余量为agcu28。

14、本发明所述的碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，包括tih2、nb和agcu28；其中，所述复合钎料中添加的nb为目数为100~200目的nb颗粒。nb颗粒为高熔点金属，在钎焊过程中不发生熔化，而是以骨架形式保留在焊缝中，可通过毛细作用将钎料液相保留在焊接区域，避免钎料过分流淌，提高成型精度。同时，在高温下nb作为高温骨架可缓解钎缝的软化，从而提高接头的高温力学性能。另外，复合钎料中添加的nb颗粒具有低热膨胀系数的特性，可以降低钎料的热膨胀系数，减小钎料和碳基材料的热膨胀差异，降低接头应力，提高接头强度。

15、本发明所述复合钎料中添加的tih2为目数为250~300目的tih2粉体。本发明所述tih2粉体能够在焊接时的升温过程以及第一个保温阶段时发生分解，形成均匀分布的ti颗粒，并析出h2。h2具有还原作用，可洁净nb粉体和agcu28粉体表面的氧化物，从而提高焊接质量。在焊接时的第二个保温阶段时，均匀分布的ti颗粒溶解于agcu28液相中，从而实现液相对碳基材料的均匀润湿；同时，ti颗粒可降低钎料和钛基材料之间的化学浓度差，抑制钛基材料的溶解，减少脆性化合物。

16、本发明所述复合钎料中添加的agcu28为目数为200~300目的agcu28钎粉。agcu28钎粉的cu元素可与tih2粉体中的ti可反应生成ti-cu化合物，消除了抗氧化性较差的cu基固溶体，并使得液相成分偏离低熔点共晶，从而提高焊缝的熔点；而nb颗粒则可作为ti-cu化合物的成核位点，实现ti-cu化合物的均匀分布，从而变废为宝，利用脆性化合物增强接头。

17、本发明提供的复合钎料为碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料。其中，所述碳基材料包括石墨、sibcn陶瓷或者sic陶瓷；所述钛基合金包括ta2、tc4、tial、tc18或者ti2alnb。在本发明的一些实施例中，所述碳基材料优选为sibcn陶瓷和所述钛基合金优选为ti2alnb。在本发明的另一些实施例中，所述碳基材料优选为sic陶瓷和所述钛基合金优选为ti2alnb。

18、本发明提供了上述复合钎料的制备方法，包括以下步骤：将tih2、nb和agcu28进行研磨，得到所述复合钎料；所述tih2、nb和agcu28和上述一样，不再赘述；所述研磨的转速为150 rpm~300 rpm，所述研磨的时间为30 min~60 min。具体而言，将tih2粉体、nb粉体和agcu28钎粉进行机械球磨混合，得到所述复合钎料，所述机械球磨混合的过程包括：在行星式球磨机中，以150 rpm~300 rpm的转速机械球磨30 min~60 min；采用无水乙醇作为混料介质；采用直径为1 mm~3 mm的zro2或者玛瑙作为磨球；球料质量比范围包括（2~4）：1。

19、本发明还提供了钎料片，其由上述任一技术方案所述的复合钎料制得。本发明所述钎料片的厚度为100 μm~300 μm，优选为200 μm。

20、本发明还提供了上述任一技术方案所述的钎料片的制备方法，包括以下步骤：将上述复合钎料压制成型，得到钎料片；所述压制成型的压力为2 mpa~5 mpa。具体而言，本发明将所述复合钎料加入到模具中进行预压成型处理，得到预成型钎料片；所述预压成型处理的压力范围为2 mpa~5 mpa。

21、本发明还提供了碳基材料和钛基合金的焊接方法，包括以下步骤：将上述任一技术方案所述的钎料片置于碳基材料和钛基合金的待焊接表面，进行热处理。具体而言，将所述钎料片、碳基材料和钛基合金进行装配，装配时所述钎料片放置于碳基材料和钛基合金的待焊接表面，进行热处理。本发明所述钎料片、碳基材料和钛基合金君和上述一样，不再赘述。

22、更具体而言，将上述钎料片、碳基材料和钛基合金进行装配，装配时所述钎料片放置于碳基材料和钛基合金的待焊接表面，进行热处理，所述热处理具体为：加热至700℃~750℃并保温20 min~40 min，然后升温至800℃~860℃并保温30 min~60 min。

23、在本发明的某些实施例中，将上述钎料片、碳基材料和钛基合金进行装配，装配时所述钎料片放置于碳基材料和钛基合金的待焊接表面，进行热处理，所述热处理具体为：以8℃/min~12℃/min的升温速率加热至700℃~750℃并保温20 min~40 min，然后以3℃/min~5℃/min的升温速率升温至800℃~860℃并保温30 min~60 min，最后以3℃/min~5℃/min的降温速率冷却至250℃以下，完成精密焊接。

24、本发明提供了碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料、钎料片及其制备方法和钎焊方法。本发明提供的复合钎料用于碳基材料和钛基材料的钎焊，脆性化合物少，具有高的接头强度和高温力学性能，解决了传统agcu钎料钎焊制备碳基材料和钛基合金连接构件中存在的接头残余应力大、使用温度低、脆性化合多、钎料过度流淌等瓶颈问题，提高连接构件的性能差和焊接精度。试验表明，本发明所述复合钎料无论用于sibcn和ti2alnb的焊接还是用于sic和ti2alnb的焊接，接头的室温抗剪强度均能达到65 mpa以上，是相同条件下agcu28钎料接头的3倍，并且接头在600℃高温条件下时抗剪强度无下降，在800℃时（接近焊接温度）仍保持较高的强度。

技术特征：

1.碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，其特征在于，包括：

3.根据权利要求1所述的碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，其特征在于，所述tih2的目数为250~300目；

4.根据权利要求1~3中任一所述的碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料，其特征在于，所述碳基材料包括石墨、sibcn陶瓷或者sic陶瓷；

5.钎料片，其特征在于，其由权利要求1~4中任一所述的复合钎料制得。

6.根据权利要求5所述的钎料片，其特征在于，所述钎料片的厚度为100 μm~300 μm。

7.权利要求5或6所述的钎料片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.碳基材料和钛基合金的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，所述热处理具体为：加热至700℃~750℃并保温20 min~40 min，然后升温至800℃~860℃并保温30 min~60 min。

10.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，所述热处理具体为：以8 ℃/min~12℃/min的升温速率加热至700℃~750℃并保温20 min~40 min，然后以3 ℃/min~5 ℃/min的升温速率升温至800℃~860℃并保温30 min~60 min，最后以3 ℃/min~5 ℃/min的降温速率冷却至250℃以下。

技术总结
本发明涉及焊接领域，具体是碳基材料和钛基合金焊接用复合钎料、钎料片及其制备方法和钎焊方法。本发明提供的复合钎料用于碳基材料和钛基材料的钎焊，脆性化合物少，具有高的接头强度和高温力学性能，解决了传统AgCu钎料钎焊制备碳基材料和钛基合金连接构件中存在的接头残余应力大、使用温度低、脆性化合多、钎料过度流淌等瓶颈问题，提高连接构件的性能差和焊接精度。试验表明，本发明所述复合钎料用于碳基材料和钛基合金的焊接，接头的室温抗剪强度高，是相同条件下AgCu28钎料接头的2~3倍，并且接头在600℃高温条件下时抗剪强度无下降，在800℃时（接近焊接温度）仍保持较高的强度。

技术研发人员：林金城,杨卫岐,贺秀杰,邢丽丽,陈瑶
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5