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CN108907502A - 一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料及其制备方法 - Google Patents

一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料及其制备方法 Download PDF

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CN108907502A
CN108907502A CN201811013732.9A CN201811013732A CN108907502A CN 108907502 A CN108907502 A CN 108907502A CN 201811013732 A CN201811013732 A CN 201811013732A CN 108907502 A CN108907502 A CN 108907502A
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翟秋亚
徐锦锋
刘京召
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Xian University of Technology
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Xian University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料及其制备方法。由以下摩尔百分比的组分组成，7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni。先用真空电弧炉分别熔配Ni‑40Cr‑10Ta和Zr‑20Cr‑20Ta中间合金，再将二种中间合金与其余的Ni、Fe、Si、B等金属放入坩埚中，在真空电弧炉中熔配钎料母合金，母合金熔体经急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金钎料箔。该种非晶态高熵合金钎料熔点在980℃～1050℃之间，钎焊温度低于钢的晶粒粗化温度，钎接接头性能较高。钎料柔韧性好，便于加工和装配；在焊接时与钽和钢的润湿性好、钎缝耐蚀性能优良，接头力学性能较高。

Description

一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎 料及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，尤其涉及一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料及其制备方法。
背景技术
工业纯钽Ta1具有优异的高温性能、极高的抗腐蚀性、较高的延展性，在化工、电子、医疗和原子能工业等领域应用广泛。但作为稀贵金属，钽常以钢结构衬里的形式使用。这种钽包覆不锈钢复合结构兼具钽与不锈钢的性能优势，但其制备及使用过程不可避免地涉及到钽与不锈钢的焊接问题。
目前，国内外关于钽/钢的焊接方法有电子束焊、氩弧焊、氦弧焊等。钽的熔点高达2992℃，为难熔金属，在上述熔焊过程中钽尚未熔化而钢早已熔化，致使焊接熔池偏移，严重影响焊接质量；同时，钽与不锈钢的化学相熔性差，易产生大量的Fe2Ta、TaC等脆性金属间化合物，导致焊接接头力学性能下降。
为了实现钽与不锈钢的有效连接，一则需要避免熔化焊而采用钎焊方法，提高焊接质量。二则需要选择合适的焊接材料，抑制脆性金属间化合物，提升接头性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料及其制备方法，解决现有焊接方法易形成硬脆的金属间化合物导致开裂、不易于获得高性能制件的问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料，其由以下摩尔百分比的组分组成：7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni；该非晶态高熵合金钎料熔点在980～1050℃之间
一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、利用真空电弧炉熔配中间合金；
按摩尔百分比组成，7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni，换算成质量百分比称量各种高纯金属，在真空电弧炉中分别熔配Ni-40Cr-10Ta和Zr-20Cr-20Ta中间合金；
步骤2、利用真空电弧炉熔配钎料母合金；
将上述熔配好了的各种中间合金与其余的纯金属Ni、Fe、Si、B放入坩埚中，在真空电弧炉中熔配钎料母合金；
步骤3、将上步熔制的母合金熔体通过急冷快速凝固制备成厚度为50～80μm，宽6～8mm，长1～2m的非晶态高熵合金箔材。
本发明的有益效果是：本发明的高性能非晶态高熵合金钎料具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，不易形成脆性金属间化合物相，易于获得高性能钽/不锈钢钎接接头；该高性能非晶合金钎料与异质母材的润湿性好，钎焊操作工艺简单，方便高效，对钎焊工艺适应性好，过程易于掌控及实现自动化，便于工程推广。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的用于钎焊工业纯钽与不锈钢的非晶钎料，由以下摩尔百分比组成：7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni。该钎料属于高熵合金，其急冷快速凝固产物为非晶态箔材。经过焊接过程，形成的钎缝金属为Ni-Fe-Si-Zr-Cr-Ta等主元组成的晶态高熵合金。上述多主元非晶高熵合金钎料焊后形成的钎缝基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。
在本发明的钎料成分中，对各化学元素的组成及含量限定理由分别叙述如下：
为了提高钽与钢钎接接头的力学性能，需要获得钎缝金属的化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对具体待焊母材金属钽与钢的成分特点，合金主元选择Ni-Fe-Si-Zr-Cr-Ta六元合金。主要原因有四点：①钎焊过程中母材的熔化以及近缝区母材向熔池中的溶解不可避免，为预防焊缝产生脆性金属间化合物，焊缝目标成分中须含有Fe与Ta；②Zr和Ni与活性金属Ta具有很好的相容性，用之可有效抑制脆性金属间化合物产生；③通过在钎料中添加B、Si元素，一为降低熔点，二为活化去膜；④Cr的加入可有效地提高钎料的熔配相容性、成形性和钎接强度，也能够改善焊缝与钢的熔合性，提高钎接界面结合性能。
本发明方法所用的非晶态高熵化钎料箔材，其制备方法按照以下步骤实施：
步骤1、利用真空电弧炉熔配中间合金：
按摩尔百分比组成，7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni。换算成质量百分比称量各种高纯金属，在真空电弧炉中分别熔配Ni-40Cr-10Ta和Zr-20Cr-20Ta中间合金；
步骤2、利用真空电弧炉熔配钎料母合金：
将上述熔配好了的各种中间合金与其余的纯金属Ni、Fe、Si、B放入坩埚中，在真空电弧炉中熔配钎料母合金。
步骤3、将上步熔制的母合金熔体通过急冷快速凝固制备成厚度为50～80μm，宽约6～8mm，长约1～2m的非晶态高熵合金箔材。该非晶态高熵合金箔材具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，且成形性优良。
采用上述的制备方法得到的非晶合金钎料箔材，在钎焊钽/钢的试样接头装配时，先将箔材置于待焊钽与钢的待焊界面之间，然后按照常规真空钎焊方法对装配好了的接头进行加热、保温和冷却凝固，实现钽/钢的钎接。
表1为本发明四个实施例的钎料成分配比表
实施例1
依照表1中实施例1中的摩尔百分比确定各组分高纯金属的质量，按照上述钎料制备步骤实施，制备的非晶合金钎料箔材厚约60μm。应用该非晶合金钎料箔材，对Ta1与0Cr18Ni9Ti进行炉中钎焊，钎焊温度1090℃，保温5min，获得接头的剪切强度为210.0MPa。
实施例2
依照表1中实施例2中的摩尔百分比确定各组分高纯金属的质量，按照上述钎料制备步骤实施，制备出厚约55μm的态非晶合金钎料箔材。应用该非晶合金钎料箔材，对Ta2与0Cr18Ni9Ti进行炉中钎焊，钎焊温度1070℃，保温5min，获得接头的剪切强度为221.0MPa。
实施例3
依照表1中实施例3中的摩尔百分比确定各组分高纯金属的质量，按照上述钎料制备步骤实施，制备出厚约80μm的态非晶合金钎料箔材。应用该非晶合金钎料箔材，对Ta1与0Cr18Ni9Ti进行真空钎焊，钎焊温度1065℃，保温5min，获得接头的剪切强度为198.0MPa。
实施例4
依照表1中实施例4中的摩尔百分比确定各组分高纯金属的质量，按照上述钎料制备步骤实施，制备出厚约70μm的态非晶合金钎料箔材。应用该非晶合金钎料箔材，对Ta1与0Cr18Ni9Ti炉中钎焊，钎焊温度1080℃，保温5min，获得接头的剪切强度为200.0MPa。
综上所述，本发明的非晶态高熵合金钎料熔点在980～1050℃之间，钎焊温度低于钢的晶粒粗化温度，钎接接头性能较高。钎料柔韧性好，便于加工和装配；在焊接时与钽和钢的润湿性好、钎缝耐腐蚀性能优良，接头力学性能显著提高；该种非晶态高熵合金钎料的制备工艺简单，制作成本低，便于推广。使用本发明的非晶态高熵合金钎料箔进行钽/不锈钢的真空钎焊，钎焊工艺简单，操作方便。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例可能进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料，其特征在于，由以下摩尔百分比的组分组成：7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni；该非晶态高熵合金钎料熔点在980～1050℃之间。
2.一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、利用真空电弧炉熔配中间合金；
按摩尔百分比组成，7.0％～9.0％Cr，5.0％～8.0％Si，5.0％～7.0％Fe，6.0％～8.0％Zr，2.0％～3.0％Ta，2.5％～4.5％B，其余为Ni，换算成质量百分比称量各种高纯金属，在真空电弧炉中分别熔配Ni-40Cr-10Ta和Zr-20Cr-20Ta中间合金；
步骤2、利用真空电弧炉熔配钎料母合金；
将上述熔配好了的各种中间合金与其余的纯金属Ni、Fe、Si、B放入坩埚中，在真空电弧炉中熔配钎料母合金；
步骤3、将上步熔制的母合金熔体通过急冷快速凝固制备成厚度为50～80μm，宽6～8mm，长1～2m的非晶态高熵合金箔材。
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