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CN115476012B - 一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用 - Google Patents

一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用 Download PDF

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Abstract

一种高Cu原子比Cu‑Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，涉及高Cu原子比Cu‑Ti钎料的应用技术领域。本发明的目的是为了解决采用现有的共晶成分Cu‑23Ti(wt.％)钎料进行Ti3SiC2陶瓷与Nb的钎焊连接时，接头内产生的脆性CuTi化合物导致接头抗剪切强度低的问题。方法：按照Ti3SiC2陶瓷/Ti箔/Cu箔/Nb的顺序装配，得到待焊装配件；将待焊装配件放入真空钎焊炉内，在5×10‑2Pa的真空度及950～1010℃的钎焊温度下保温5～60min，钎焊结束后冷却至室温。本发明可获得一种高Cu原子比Cu‑Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用。

Description

一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用
技术领域
本发明涉及高Cu原子比Cu-Ti钎料的应用技术领域，具体涉及一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用。
背景技术
Ti3SiC2陶瓷具有良好的室温与高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性，又具备较好的可加工性等优点，有望成为新型高温结构材料，用作窑具材料、涡轮叶片部件及航空发动机高温零部件等。Nb作为一种高温材料和结构材料，广泛应用于航空航天等领域，将Ti3SiC2陶瓷与金属Nb进行可靠连接，可以充分发挥二者优势，拓宽材料的应用领域。其中，共晶成分Cu-23Ti(wt.％)钎料能够实现Ti3SiC2陶瓷与Nb的直接钎焊连接，但在接头中会生成大量脆性的CuTi化合物，导致钎焊接头抗剪强度降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用现有的共晶成分Cu-23Ti(wt.％)钎料进行Ti3SiC2陶瓷与Nb的钎焊连接时，接头内产生的脆性CuTi化合物导致接头抗剪切强度低的问题，而提供一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用。
一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，所述的高Cu原子比Cu-Ti钎料为Cu-10Ti钎料，所述的Cu-10Ti钎料用于陶瓷与金属的接触反应钎焊。
所述的陶瓷为Ti3SiC2陶瓷，所述的金属为Nb。
所述的Cu-10Ti钎料用于Ti3SiC2陶瓷与金属Nb的接触反应钎焊按照以下步骤进行：
一、Ti3SiC2陶瓷与Nb的焊前处理：将Ti3SiC2陶瓷和Nb切割成预定尺寸，并将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面进行打磨和清洗；所述的Ti3SiC2陶瓷中固溶有质量分数为0.5～2.0％的Al元素；
二、Cu-10Ti钎料的制备：将Cu箔、Ti箔切成与Ti3SiC2陶瓷相同的面积，并按照Cu-10Ti钎料中Ti的质量分数为10％的标准将Cu箔和Ti箔进行厚度打磨，然后将Cu箔和Ti箔处理至表面平整，再进行清洗；
三、待焊试件的装配、真空接触反应钎焊：按照Ti3SiC2陶瓷/Ti箔/Cu箔/Nb的顺序装配，得到待焊装配件；将待焊装配件放入真空钎焊炉内，在5×10-2Pa的真空度及950～1010℃的钎焊温度下保温5～60min，钎焊结束后冷却至室温，完成Ti3SiC2陶瓷、Cu-10Ti钎料与金属Nb的接触反应钎焊。
本发明的有益效果：
(1)本发明使用含Ti量较少的高Cu原子比的Cu-Ti钎料，由于Ti含量较低，焊缝中大量存在的是塑性较好的Cu4Ti，有效减少了焊缝中CuTi脆性化合物的生成，因此力学性能优异，钎焊Ti3SiC2陶瓷和金属后接头的抗剪强度达到130MPa以上。
(2)本发明使用厚度较小的Cu、Ti箔片组成复合钎料，通过接触反应钎焊方法使得处于非共晶成分的高Cu原子比钎料可以在相对较低的温度下发生融化、液相扩展，从而实现在相对较低的温度下实现焊接。
本发明可获得一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用。
附图说明
图1为实施例1中采用高Cu原子比的Cu-Ti钎料将Ti3SiC2陶瓷与Nb接触反应钎焊后钎焊接头的微观组织背散射图片；
图2为对比例1中采用传统Cu-Ti共晶钎料将Ti3SiC2陶瓷与Nb接触反应钎焊后钎焊接头的微观组织背散射图片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，所述的高Cu原子比Cu-Ti钎料为Cu-10Ti钎料，所述的Cu-10Ti钎料用于陶瓷与金属的接触反应钎焊。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的陶瓷为Ti3SiC2陶瓷。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：所述的金属为Nb。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的Cu-10Ti钎料用于Ti3SiC2陶瓷与金属Nb的接触反应钎焊按照以下步骤进行：
一、Ti3SiC2陶瓷与Nb的焊前处理：将Ti3SiC2陶瓷和Nb切割成预定尺寸，并将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面进行打磨和清洗；所述的Ti3SiC2陶瓷中固溶有质量分数为0.5～2.0％的Al元素；
二、Cu-10Ti钎料的制备：将Cu箔、Ti箔切成与Ti3SiC2陶瓷相同的面积，并按照Cu-10Ti钎料中Ti的质量分数为10％的标准将Cu箔和Ti箔进行厚度打磨，然后将Cu箔和Ti箔处理至表面平整，再进行清洗；
三、待焊试件的装配、真空接触反应钎焊：按照Ti3SiC2陶瓷/Ti箔/Cu箔/Nb的顺序装配，得到待焊装配件；将待焊装配件放入真空钎焊炉内，在3×10-3Pa～5×10-2Pa的真空度及950～1010℃的钎焊温度下保温5～60min，钎焊结束后冷却至室温，完成Ti3SiC2陶瓷、Cu-10Ti钎料与金属Nb的接触反应钎焊。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面采用240～600目砂纸逐级打磨。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中的清洗过程为：将打磨后的Ti3SiC2陶瓷与Nb放入清洗剂中，在超声清洗机中超声清洗10～20min；所述的清洗剂为酒精或丙酮。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中Cu箔和Ti箔的厚度均为50～500μm。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中打磨过程为：使用240～600目的砂纸逐级打磨Cu箔和Ti箔的两面。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中的清洗过程为：将打磨后的Cu箔和Ti箔放入清洗剂中，在超声清洗机中超声清洗10～20min；所述的清洗剂为酒精或丙酮。
其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三中钎焊结束后以4～6℃/min的降温速率冷却至室温。
其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例中钎料为Cu-10Ti(wt.％)；Cu-10Ti钎料用于Ti3SiC2陶瓷与金属Nb的接触反应钎焊按照以下步骤进行：
一、Ti3SiC2陶瓷与Nb的焊前处理：将Ti3SiC2陶瓷切割成5×5×5mm3，将Nb切割成3×10×15mm3，并将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面依次采用240、400和600目砂纸逐级打磨，再将打磨后的Ti3SiC2陶瓷与Nb放入清洗剂中，在超声清洗机中超声清洗15min；所述的清洗剂为酒精或丙酮；所述的Ti3SiC2陶瓷中固溶有质量分数为0.5～2.0％的Al元素；
二、Cu-10Ti钎料的制备：使用金刚石线切割机将Cu箔、Ti箔切成面积为5.5×5.5mm2的块状，并按照Cu-10Ti钎料中Ti的质量分数为10％的标准，依次采用240、400和600目的砂纸逐级打磨Cu箔和Ti箔的两面，将Cu箔打磨至约31mg、Ti箔打磨至约7mg，用两个平整的表面夹持钎料箔片，并施加压力将Cu箔和Ti箔压平整，再将Cu箔和Ti箔放入酒精中，在超声清洗机中超声清洗15min；Cu箔与Ti箔的厚度比约为10：1；
三、待焊试件的装配、真空接触反应钎焊：按照Ti3SiC2陶瓷/Ti箔/Cu箔/Nb的顺序，使用石墨块将Ti3SiC2陶瓷、Ti箔、Cu箔和Nb压紧，得到待焊装配件；将待焊装配件放入真空钎焊炉内，在5×10-2Pa的真空度及990℃的钎焊温度下保温10min，钎焊结束后以5℃/min的降温速率冷却至室温，后取出试件，即完成。
对比例1：本对比例中钎料为Cu-23Ti(wt.％)；
一、Ti3SiC2陶瓷与Nb的焊前处理：将Ti3SiC2陶瓷切割成5×5×5mm3，将Nb切割成3×10×15mm3，并将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面依次采用240、400和600目的砂纸逐级打磨，再将打磨后的Ti3SiC2陶瓷与Nb放入清洗剂中，在超声清洗机中超声清洗15min；所述的清洗剂为酒精或丙酮；所述的Ti3SiC2陶瓷中固溶有质量分数为0.5～2.0％的Al元素；
二、Cu、Ti复合钎料箔片的制备：使用金刚石线切割机将Cu箔、Ti箔切成面积为5.5×5.5mm2的块状，依次采用240、400和600目的砂纸逐级打磨Cu箔和Ti箔的两面，将Cu箔打磨至约11mg、Ti箔打磨至约7mg，用两个平整的表面夹持钎料箔片，并施加压力将Cu箔和Ti箔压平整，再将Cu箔和Ti箔放入酒精中，在超声清洗机中超声清洗15min；
三、待焊试件的装配、真空接触反应钎焊：按照Ti3SiC2陶瓷/Ti箔/Cu箔/Nb的顺序，使用石墨块将Ti3SiC2陶瓷、Ti箔、Cu箔和Nb压紧，得到待焊装配件；将待焊装配件放入真空钎焊炉内，在5×10-2Pa的真空度及990℃的钎焊温度下保温10min，钎焊结束后以5℃/min的降温速率冷却至室温，后取出试件，即完成。
图1为实施例1中采用高Cu原子比的Cu-Ti钎料将Ti3SiC2陶瓷与Nb接触反应钎焊后钎焊接头的微观组织背散射图片；图2为对比例1中采用传统Cu-Ti共晶钎料将Ti3SiC2陶瓷与Nb接触反应钎焊后钎焊接头的微观组织背散射图片。
通过图1和图2的对比可以发现，图1的接头中深灰色CuTi脆性化合物明显减少，基底相主要为塑性较好的Cu4Ti和Cu，可见实施例1中采用高Cu原子比的Cu-Ti钎料后，有效改善了接头性能。
利用电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min。测试结果显示：实施例1采用Cu-10Ti(wt.％)钎料接触反应钎焊方法所得的连接接头室温剪切强度达到130MPa，而相同参数下，对比例1中使用Cu-23Ti(wt.％)钎料接触反应钎焊方法所得的连接接头室温剪切强度只有70MPa。

Claims (7)

1.一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于所述的高Cu原子比Cu-Ti钎料为Cu-10Ti钎料，所述的Cu-10Ti钎料用于陶瓷与金属的接触反应钎焊；
所述的Cu-10Ti钎料用于Ti3SiC2陶瓷与金属Nb的接触反应钎焊按照以下步骤进行：
一、Ti3SiC2陶瓷与Nb的焊前处理：将Ti3SiC2陶瓷和Nb切割成预定尺寸，并将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面进行打磨和清洗；所述的Ti3SiC2陶瓷中固溶有质量分数为0.5～2.0％的Al元素；
二、Cu-10Ti钎料的制备：将Cu箔、Ti箔切成与Ti3SiC2陶瓷相同的面积，并按照Cu-10Ti钎料中Ti的质量分数为10％的标准将Cu箔和Ti箔进行厚度打磨，然后将Cu箔和Ti箔处理至表面平整，再进行清洗；
三、待焊试件的装配、真空接触反应钎焊：按照Ti3SiC2陶瓷/Ti箔/Cu箔/Nb的顺序装配，得到待焊装配件；将待焊装配件放入真空钎焊炉内，在3×10-3Pa～5×10-2Pa的真空度及950～1010℃的钎焊温度下保温5～60min，钎焊结束后冷却至室温，完成Ti3SiC2陶瓷、Cu-10Ti钎料与金属Nb的接触反应钎焊。
2.根据权利要求1所述的一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于步骤一中将Ti3SiC2陶瓷和Nb的待焊面采用240～600目砂纸逐级打磨。
3.根据权利要求1所述的一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于步骤一中的清洗过程为：将打磨后的Ti3SiC2陶瓷与Nb放入清洗剂中，在超声清洗机中超声清洗10～20min；所述的清洗剂为酒精或丙酮。
4.根据权利要求1所述的一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于步骤二中Cu箔和Ti箔的厚度均为50～500μm。
5.根据权利要求1所述的一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于步骤二中打磨过程为：使用240～600目的砂纸逐级打磨Cu箔和Ti箔的两面。
6.根据权利要求1所述的一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于步骤二中的清洗过程为：将打磨后的Cu箔和Ti箔放入清洗剂中，在超声清洗机中超声清洗10～20min；所述的清洗剂为酒精或丙酮。
7.根据权利要求1所述的一种高Cu原子比Cu-Ti钎料在陶瓷与金属钎焊中的应用，其特征在于步骤三中钎焊结束后以4～6℃/min的降温速率冷却至室温。
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