CN105562869A - 一种使用BNi-2钎料钎焊Ti2AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，涉及一种钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法。本发明是为了解决目前的Ti₂AlC陶瓷在钎焊过程中容易发生分解，焊接结构件服役时的可靠性差的技术问题。本发明：一、准备钎焊试样；二、钎焊。本发明的优点：本发明提高钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金焊接结构件服役时的可靠性，同时采用镍基高温钎料有利于提高接头的高温力学性能和抗氧化性，使该焊接结构件有望利用于高温领域。本发明应用于焊接领域。

Description

一种使用BNi-2钎料钎焊Ti2AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法

技术领域

本发明涉及一种钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法。

背景技术

材料是现代社会发展的三大支柱之一，其飞速的发展和变革是科学技术进步的重要推动力。同时，人类社会和科学技术的进步也不断对材料提出新的要求，传统的钢铁材料和有色金属材料已经无法满足新的服役条件和性能要求，特别是在快速发展的航天航空领域，对轻质、高强和耐高温材料的需求越来越强烈。近年来，一种新型的三元碳化物或氮化物陶瓷成为了众多材料科学研究者的焦点。1963年Jeitschko等人首次合成了一类具有M₂AX化学式的三元化合物，并测定了其晶体结构。2000年，Barsoum等人对该类化合物进行了系统的阐述，并将其定义为MAX相：一类热力学稳定的，具有纳米层状结构的三元碳化物或氮化物。这类陶瓷兼具许多金属和陶瓷的特性，缩小了金属与陶瓷之间的鸿沟，克服了金属和陶瓷材料各自的局限性。

与传统的高温合金相比，MAX相陶瓷，尤其是含Al的MAX相作为高温结构材料具有独特的优势。以典型的211相Ti₂AlC为例，其熔点高达1600℃，并且在真空条件下，结构稳定性可以维持到1400℃。与典型的高温合金相比，Ti₂AlC陶瓷的密度为4.1g/cm³，仅为镍基高温合金的一半；其热导率为46W·m^-1·K^-1，是镍基高温合金的四倍。除此之外，Ti₂AlC陶瓷还具有优异的高温力学性能，其高温压缩实验结果表明，陶瓷在1200℃以上仍可以保持室温的弹性模量，并且其抗压强度达到170MPa。其热震实验结果表明，当ΔT＝1300K时，基体仍保持了75％的强度。与此同时，Al原子的存在赋予了陶瓷优异的抗氧化和抗气氛腐蚀能力。实验结果表明，Ti₂AlC在1000-1300℃之间的氧化增重与氧化时间的立方根的倒数成正比，在1200℃时其氧化速率仅为1.1×10^-10kg³·m^-6·s^-1。同时，氧化生成的α-Al₂O₃氧化膜和Ti₂AlC具有近似的热膨胀系数，因此Ti₂AlC基体与氧化膜的残余应力小，其循环抗氧化能力也十分优异。最后，虽然通常裂纹对于其他陶瓷材料都是致命的，但是Ti₂AlC陶瓷不但在常温下具有一定的损伤容限，在高温下由于氧化反应带来的体积增大效应，裂纹还具有自愈合能力。由此可见，Ti₂AlC陶瓷有望成为新一代的高温结构材料，应用于航空发动机的高温零部件、燃气喷嘴，热循环频繁交替的加热体及原子能反应堆的覆层材料。

根据Ti-Al-C三元体系在1300℃的等温截面相图可知，Ti₂AlC分别与TiC_x和Ti-Al金属间化合物处于三元相区，而单一的Ti₂AlC相区十分狭窄，这导致在最终合成的Ti₂AlC陶瓷中总会存在TiC_x等杂质，因此目前的制备方法都不适用于合成大尺寸、复杂形状的块体材料。为了克服这一瓶颈，实现Ti₂AlC陶瓷的钎焊，尤其是与镍基高温合金的连接，制成Ti₂AlC-Ni复合构件，可以大大降低构件的比重，提高使用温度，改善抗腐蚀性能，更好地发挥陶瓷与金属各自的性能优势。截止至目前，国内外关于Ti₂AlC陶瓷钎焊的文献报导比较少，并且还没有采用镍基高温钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷的相关报导。目前的Ti₂AlC陶瓷在钎焊过程中容易发生分解，焊接结构件服役时的可靠性差。

发明内容

本发明是为了解决目前的Ti₂AlC陶瓷在钎焊过程中容易发生分解，焊接结构件服役时的可靠性差的技术问题，而提供一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法。

本发明的一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法是按以下步骤进行的：

一、准备钎焊试样：采用线切割的方法制备Ti₂AlC陶瓷块体，然后在预磨机上依次使用100#、320#、600#、1000#和1500#的水砂纸打磨Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面，再使用颗粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行机械抛光至Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面没有划痕，得到Ti₂AlC陶瓷母材；

采用线切割的方法制备金属Ni块体或Ni合金块体，然后依次使用200#、500#、1000#和2000#的金相砂纸打磨金属Ni块体或Ni合金块体的待焊面，得到金属Ni母材或Ni合金母材；

将Ti₂AlC陶瓷母材和金属Ni母材或Ni合金母材放入丙酮中超声清洗10min，再放入无水乙醇中超声清洗10min，然后风干，使用有机粘结剂将BNi-2钎料粉末调至糊状，然后均匀地涂抹在清洗后的Ti₂AlC陶瓷母材待焊面和清洗后的金属Ni母材或清洗后的Ni合金母材待焊面，再以钎料层为中间层形式装配成三明治结构，得到待焊件；所述的有机粘结剂的体积与BNi-2钎料粉末的质量比为1mL:1.5g；

二、钎焊：将步骤一得到的待焊件放在模具中，然后将模具放在真空加热炉中，对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力，然后进行抽真空，当炉内的真空度为10^-3Pa时，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从室温升温至300℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力和炉内温度为300℃的条件下保温10min-30min，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从300℃升温至1000℃～1100℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力和炉内温度为1000℃～1100℃的条件下保温15min-60min，然后在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下以5℃/min的速率将炉内温度从1000℃～1100℃冷却至300℃，再在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下随炉冷却至室温，即完成使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金。

本发明的优点：

本发明提高钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金焊接结构件服役时的可靠性，同时采用镍基高温钎料有利于提高接头的高温力学性能和抗氧化性，使该焊接结构件有望利用于高温领域。

(1)、相比于其它含Cu、Al、Au等合金元素的钎料，Ni基钎料对Ti₂AlC陶瓷稳定性的影响更小，构件在高温环境下服役时也越可靠；

(2)、BNi-2钎料在Ti₂AlC陶瓷表面具有良好的润湿性，获得钎焊接头致密，没有孔洞、裂纹等缺陷；

(3)、钎焊过程中形成的交互作用区有助于缓解残余应力，并且在接头中没有形成连续的金属间化合物，因此得到的焊接接头性能优异。

附图说明

图1为本发明步骤一装配的三明治结构示意图，A为Ti₂AlC陶瓷母材，B为钎料层，C为金属Ni或Ni合金母材；

图2是试验一钎焊后的成品接头的的SEM图，区域A为Ti₂AlC陶瓷母材，区域B为钎料和Ti₂AlC陶瓷母材的交互作用区，区域C为焊缝，区域D为金属Ni母材。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，具体是按以下步骤进行的：

一、准备钎焊试样：采用线切割的方法制备Ti₂AlC陶瓷块体，然后在预磨机上依次使用100#、320#、600#、1000#和1500#的水砂纸打磨Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面，再使用颗粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行机械抛光至Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面没有划痕，得到Ti₂AlC陶瓷母材；

采用线切割的方法制备金属Ni块体或Ni合金块体，然后依次使用200#、500#、1000#和2000#的金相砂纸打磨金属Ni块体或Ni合金块体的待焊面，得到金属Ni母材或Ni合金母材；

将Ti₂AlC陶瓷母材和金属Ni母材或Ni合金母材放入丙酮中超声清洗10min，再放入无水乙醇中超声清洗10min，然后风干，使用有机粘结剂将BNi-2钎料粉末调至糊状，然后均匀地涂抹在清洗后的Ti₂AlC陶瓷母材待焊面和清洗后的金属Ni母材或清洗后的Ni合金母材待焊面，再以钎料层为中间层形式装配成三明治结构，得到待焊件；所述的有机粘结剂的体积与BNi-2钎料粉末的质量比为1mL:1.5g；

二、钎焊：将步骤一得到的待焊件放在模具中，然后将模具放在真空加热炉中，对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力，然后进行抽真空，当炉内的真空度为10^-3Pa时，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从室温升温至300℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力和炉内温度为300℃的条件下保温10min-30min，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从300℃升温至1000℃～1100℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力和炉内温度为1000℃～1100℃的条件下保温15min-60min，然后在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下以5℃/min的速率将炉内温度从1000℃～1100℃冷却至300℃，再在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下随炉冷却至室温，即完成使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一所述的有机粘结剂是由羟乙基纤维素和蒸馏水混合而成，羟乙基纤维素和蒸馏水的质量比为1:99。其他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的不同点是：步骤一所述的BNi-2钎料粉末按质量分数组成为：3％的Fe，7％的Cr，4.5％的Si，3％的B，其余为Ni。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：所述的镍合金为GH648。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：所述的镍合金为Inconel600。其他与具体实施方式一相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验为一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，具体是按以下步骤进行的：

一、准备钎焊试样：采用线切割的方法制备Ti₂AlC陶瓷块体，然后在预磨机上依次使用100#、320#、600#、1000#和1500#的水砂纸打磨Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面，再使用颗粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行机械抛光至Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面没有划痕，得到Ti₂AlC陶瓷母材；

采用线切割的方法制备金属Ni块体，然后依次使用200#、500#、1000#和2000#的金相砂纸打磨金属Ni块体的待焊面，得到金属Ni母材；

将Ti₂AlC陶瓷母材和金属Ni母材放入丙酮中超声清洗10min，再放入无水乙醇中超声清洗10min，然后风干，使用有机粘结剂将BNi-2钎料粉末调至糊状，然后均匀地涂抹在清洗后的Ti₂AlC陶瓷母材待焊面和清洗后的金属Ni母材或清洗后的Ni合金母材待焊面，再以钎料层为中间层形式装配成三明治结构，得到待焊件；所述的有机粘结剂的体积与BNi-2钎料粉末的质量比为1mL:1.5g；

二、钎焊：将步骤一得到的待焊件放在模具中，然后将模具放在真空加热炉中，对待焊件施加10MPa的机械压力，然后进行抽真空，当炉内的真空度为10^-3Pa时，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从室温升温至300℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加10MPa的机械压力和炉内温度为300℃的条件下保温30min，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从300℃升温至1000℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加10MPa的机械压力和炉内温度为1000℃的条件下保温30min，然后在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下以5℃/min的速率将炉内温度从1000℃冷却至300℃，再在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下随炉冷却至室温，即完成使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍。步骤一所述的有机粘结剂是由羟乙基纤维素和蒸馏水混合而成，羟乙基纤维素和蒸馏水的质量比为1:99；

步骤一所述的BNi-2钎料粉末按质量分数组成为：3％的Fe，7％的Cr，4.5％的Si，3％的B，其余为Ni。

试验二：本试验与试验一的区别为在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加10MPa的机械压力和炉内温度为1000℃的条件下保温15min，，其它的与试验一相同。

试验三：本试验与试验一的区别为步骤二中在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从300℃升温至1050℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加10MPa的机械压力和炉内温度为1050℃的条件下保温30min，然后在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下以5℃/min的速率将炉内温度从1050℃冷却至300℃，其它的与试验一相同。

试验四：本试验与试验三的区别为步骤二中在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加10MPa的机械压力和炉内温度为1050℃的条件下保温60min，其它的与试验三相同。

试验五：本试验与试验一的区别为步骤二中在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从300℃升温至1100℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加10MPa的机械压力和炉内温度为1100℃的条件下保温30min，然后在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加10MPa的机械压力的条件下以5℃/min的速率将炉内温度从1100℃冷却至300℃，其它的与试验一相同。

表1

表1为试验一至五的钎焊后的成品接头的剪切强度测试数据，从表中可以看到，采用本发明的方法可以获得力学性能优异的Ti₂AlC/Ni接头，其最大剪切强度为203MPa，达到了Ti₂AlC陶瓷母材强度的91％。

图2是试验一钎焊后的成品接头的的SEM图，区域A为Ti₂AlC陶瓷母材，区域B为钎料和Ti₂AlC陶瓷母材的交互作用区，区域C为焊缝，区域D为金属Ni母材，从图中可以看到，钎料与Ti₂AlC陶瓷具有良好的润湿性，获得的接头中没有孔洞与裂纹，钎焊效果良好。同时，在Ti₂AlC陶瓷母材靠近焊缝一侧存在一个交互作用区，观察该作用区的形貌可以发现，在钎焊过程中该区域仍保持固态，即该区域的形成与钎料中的Ni元素在Ti₂AlC陶瓷母材中的扩散行为相关。可以得到结论，Ni元素对Ti₂AlC陶瓷稳定性的影响较小，因此以Ni元素为主的镍基高温钎料在钎焊Ti₂AlC陶瓷时不会引起陶瓷的剧烈分解，是一种非常适用于钎焊Ti₂AlC陶瓷的高温钎料。

Claims (5)

1.一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，其特征在于使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法是按以下步骤进行的：

一、准备钎焊试样：采用线切割的方法制备Ti₂AlC陶瓷块体，然后在预磨机上依次使用100#、320#、600#、1000#和1500#的水砂纸打磨Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面，再使用颗粒度为0.5μm的金刚石抛光剂进行机械抛光至Ti₂AlC陶瓷块体的待焊面没有划痕，得到Ti₂AlC陶瓷母材；

采用线切割的方法制备金属Ni块体或Ni合金块体，然后依次使用200#、500#、1000#和2000#的金相砂纸打磨金属Ni块体或Ni合金块体的待焊面，得到金属Ni母材或Ni合金母材；

将Ti₂AlC陶瓷母材和金属Ni母材或Ni合金母材放入丙酮中超声清洗10min，再放入无水乙醇中超声清洗10min，然后风干，使用有机粘结剂将BNi-2钎料粉末调至糊状，然后均匀地涂抹在清洗后的Ti₂AlC陶瓷母材待焊面和清洗后的金属Ni母材或清洗后的Ni合金母材待焊面，再以钎料层为中间层形式装配成三明治结构，得到待焊件；所述的有机粘结剂的体积与BNi-2钎料粉末的质量比为1mL:1.5g；

二、钎焊：将步骤一得到的待焊件放在模具中，然后将模具放在真空加热炉中，对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力，然后进行抽真空，当炉内的真空度为10^-3Pa时，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从室温升温至300℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力和炉内温度为300℃的条件下保温10min-30min，在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下将炉内温度从300℃升温至1000℃～1100℃，并在炉内的真空度为10^-3Pa、对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力和炉内温度为1000℃～1100℃的条件下保温15min-60min，然后在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下以5℃/min的速率将炉内温度从1000℃～1100℃冷却至300℃，再在炉内的真空度为10^-3Pa和对待焊件施加5MPa～10MPa的机械压力的条件下随炉冷却至室温，即完成使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金。

2.根据权利要求1所述的一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，其特征在于步骤一所述的有机粘结剂是由羟乙基纤维素和蒸馏水混合而成，羟乙基纤维素和蒸馏水的质量比为1:99。

3.根据权利要求1所述的一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，其特征在于步骤一所述的BNi-2钎料粉末按质量分数组成为：3％的Fe，7％的Cr，4.5％的Si，3％的B，其余为Ni。

4.根据权利要求1所述的一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，其特征在于所述的镍合金为GH648。

5.根据权利要求1所述的一种使用BNi-2钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和金属镍或镍合金的方法，其特征在于所述的镍合金为Inconel600。