釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料及制備和釬焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及異種材料連接的釬料，具體涉及一種釬焊鎢銅合金與不銹鋼的鋯基高溫釬料及制備方法和釬焊工藝，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鎢銅合金材料兼容鎢元素和同元素的優(yōu)異性能，不僅具有高的導(dǎo)熱導(dǎo)電率和低的熱膨脹系數(shù)，還表現(xiàn)出良好的高溫強(qiáng)度、抗熱震性和耐燒蝕性及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，常常被作為耐高溫連接件、散熱基件、熱沉材料及觸頭材料，廣泛涉及到電子封裝、集成電路、真空開關(guān)、加工電極、無線通訊裝置等部件；在航空航天和國(guó)防軍事領(lǐng)域，可作為火箭、導(dǎo)彈尾噴管的喉襯、噴嘴、燃?xì)舛娴雀邷夭考?。為了進(jìn)一步發(fā)揮鎢銅合金材料的優(yōu)越性能，彌補(bǔ)其弱勢(shì)缺陷；鎢銅合金與不銹鋼連接成復(fù)合件，可充分發(fā)揮鎢銅合金高導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐燒蝕結(jié)合不銹鋼抗高溫抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良特征，提高了連接構(gòu)件的整體性能，具有重大的研宄意義和使用價(jià)值。因此研制一種高性能的連接材料非常有理論和實(shí)際價(jià)值。
[0003]W-Cu合金材料與不銹鋼材料連接時(shí)，因其熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率相差較大，以出現(xiàn)焊合區(qū)晶粒粗大、組織脆化、應(yīng)力集中等現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭斷裂傾向增大。焊縫金屬力學(xué)性能降低，嚴(yán)重影響了兩者之間的連接性能；此外，W-Cu合金材料對(duì)氣體雜質(zhì)敏感性較大，以及易出現(xiàn)脆化物相和微孔，嚴(yán)重影響接頭的氣密性及承載能力。因此，鎢銅合金與不銹鋼焊接時(shí)，組織結(jié)構(gòu)變化、氣體雜質(zhì)污染、焊接應(yīng)力等問題導(dǎo)致焊縫性能失效，是鎢銅合金與不銹鋼焊接面臨的主要問題；在實(shí)際生產(chǎn)過程中迫切尋求性能優(yōu)良和性價(jià)比高的填充材料，解決這些問題。
[0004]對(duì)于鎢銅合金材料與異種合金材料連接而言，可采用擴(kuò)散連接、摩擦焊等固相連接方法或釬焊，其中釬焊中特別是真空釬焊方法適合性更好。進(jìn)過多年的研宄，其工藝已經(jīng)得到較大的改進(jìn)；但是在連接材料上，仍然只是利用工業(yè)生產(chǎn)材料，價(jià)格成本比較昂貴，其焊縫性能也仍然難以令人滿意。在航空航天和國(guó)防軍事領(lǐng)域，對(duì)于鎢銅合金與不銹鋼的連接要求越來越高，為了提高其性能，提高連接材料的質(zhì)量與性能起到至關(guān)重要的作用與地位，對(duì)其仍然需要進(jìn)一步研宄。
[0005]專利號(hào):201210158935.3 ( 一種鎢銅合金與不銹鋼釬焊用釬料及釬焊工藝)介紹一種鎢銅合金與不銹鋼釬焊釬料及焊接工藝，但是這種釬料在鎢銅合金及不銹鋼表面的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性較差；在釬焊過程中元素?cái)U(kuò)散不均勻，組織粗大，易出現(xiàn)脆性固溶相及脆性化合物，焊接后接頭的強(qiáng)度只能達(dá)到10MPa左右，嚴(yán)重影響焊接接頭的性能。在現(xiàn)代國(guó)防領(lǐng)域中，使用該釬料無法滿足焊接接頭的強(qiáng)度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料及制備和釬焊方法，
[0007]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料，以重量百分比計(jì)的元素成分包括:V10%?12%，Nb3.0%?9.0%，Si3.0%?4.0%, Cu8.0%?16%，Ni9.0%?12%，Crll%?14%，Sn3.0%?5.0%，余量為 Zr。
[0008]作為優(yōu)選，以重量百分比計(jì)的元素成分包括:V10%?11%，Nb4.0%?8.0%，Si3.2%?3.8%，Cul0%?15%，Ni 10%?12%，Crll%?13%，Sn3.5%?4.5%，余量為Zr。
[0009]作為優(yōu)選，以重量百分比計(jì)的元素成分包括:11% V、6% Nb、3.5% Si,12% Cu、10.5% N1、12.5% Cr,4.0% Sn，其余為 Zr。
[0010]一種釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)按成分質(zhì)量百分比稱取V粉、Nb粉、Si片、Cu片、Ni片、Cr顆粒、Sn粉和Zr顆粒制得混合物；
[0012]2)向裝有混合物的容器中加入丙酮，攪拌得懸濁液，然后將容器密封，其中混合物與丙酮體積比為1: 10?20 ;
[0013]3)對(duì)步驟2得到的裝有懸濁液的容器在20?40°C條件下進(jìn)行超聲清洗，超聲5?lOmin，其中，超聲清洗期間同時(shí)對(duì)混合物進(jìn)行攪拌；
[0014]4)將步驟3超聲清洗后的混合物在室溫到60°C的溫度下烘干，得到混合干燥的混合物；
[0015]5)將混合干燥的混合物采用真空熔煉的方法制備成急冷釬料的母合金，將該母合金粉碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0016]6)將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為l_2mm ；
[0017]7)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5X10_2Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9X10-5Pa，然后向石英玻璃管內(nèi)充滿高純Ar氣至190_210mbar之間；
[0018]8)開啟電機(jī)，使銅棍轉(zhuǎn)速us = 27_31m/s，開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體55-65s ；
[0019]9)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 20_55kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到急冷釬料，厚度為20 ?80 μ m0
[0020]作為優(yōu)選，所述步驟(5)中石英管噴嘴呈長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)度為10-12mm寬度為0.4-0.8mm。
[0021]作為優(yōu)選，所述步驟(8)中銅棍直徑為230mm，銅棍寬度為45mm。
[0022]一種釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料的釬焊方法，包括以下步驟:
[0023]I)準(zhǔn)備階段:先對(duì)待釬焊的鎢銅合金和不銹鋼試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，鎢銅合金和不銹鋼用金相砂紙研磨，將鎢銅合金、不銹鋼及釬料箔帶一起置于純丙酮中采用超聲波方法清洗10-15min ；
[0024]2)裝配步驟:將清洗后的釬料箔帶置于鎢銅合金與不銹鋼待焊表面之間，并緊貼裝配于釬焊夾具中，在焊接處放置一小砝碼，產(chǎn)生0.02-0.05MPa的恒定壓力；
[0025]3)釬焊連接:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5X10-3Pa的釬焊設(shè)備中，首先以10-15°C /min的速率升溫至300°C，保溫20_25min，再以5_10°C /min的速率繼續(xù)升溫至800-810 °C，保溫時(shí)間20-25min，再以8_13°C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1lO0C -1090°C，然后以5-8°C /min的速率冷卻至500_510°C，隨爐冷卻至室溫，取出被焊接即可。
[0026]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0027](I)本發(fā)明的鋯基高溫合金釬料的釬焊溫度在1010°C?1090°C，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻；釬料箔片有利于加速高溫連接過程中原子擴(kuò)散和界面反應(yīng)，提高釬料的潤(rùn)濕和鋪展能力，細(xì)化晶粒，減小接頭中殘余應(yīng)力，提高接頭的力學(xué)性能；
[0028](2)本發(fā)明獲得的釬料的制備方法，工藝簡(jiǎn)單，實(shí)施方便快捷，釬料的制備可重復(fù)再現(xiàn)，便于推廣應(yīng)用；
[0029](3)采用本發(fā)明的釬料連接鎢銅合金和不銹鋼的釬焊工藝，通過真空釬焊連接，樣件在加熱過程中處于真空氣氛中，不會(huì)出現(xiàn)氧化、污染等問題，其表面潤(rùn)濕鋪展較好，有利于填充釬縫，提高接頭強(qiáng)度，因而能獲得穩(wěn)定可靠的焊接接頭；
[0030](4)本發(fā)明的鋯基高溫合金釬料主要相組成是鋯基Y固溶體和Y '相；鋯基Y固溶體和γ,相分別起到固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用，使得本發(fā)明釬料具有優(yōu)異常溫和高溫性能，獲得的鎢銅合金與不銹鋼性能穩(wěn)定可靠，擴(kuò)大了鎢銅合金與異種材料連接的應(yīng)用范圍。
【具體實(shí)施方式】
[0031]一種釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料，所述釬料組分包含V、Nb、S1、Cu、N1、Cr、Sn和Zr，Cu含量的增加有利于提高合金的塑性能力，而加入的Cr含量的增加有利于提高抗氧化性和固溶能力，一定含量的S1、Sn有利于降低釬料的熔點(diǎn)，N1、V和Nb含量的添加提高了該釬料的耐蝕性，同時(shí)適量的V和Nb有利于細(xì)化晶粒，提高釬料合金的強(qiáng)度性能。
[0032]實(shí)施例1
[0033]鎢銅合金與奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭真空釬焊:W_Cu合金試樣尺寸為20mmX 20mmX 5mm,奧氏體不銹鋼為lCrl8Ni9不銹鋼，尺寸大小為20_X 20_X 5_，待纖焊面為20mmX 5mm截面。
[0034]釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為:V:10% ；Nb:4.0 % ；S1:3.2% ；Cu:10% ；Ni:10% ；Cr:11% ；Sn:3.5% ;其余為 Zr，釬料厚度為 20 μm。
[0035]上述釬焊鎢銅合金與不銹鋼的高溫鋯基釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0036]I)稱取 10gV 粉、40gNb 粉、32gSi 片、10gCu 片、10gNi 片、I 1gCr 顆粒、35gSn 粉和483gZr顆粒制得混合物，測(cè)得出混合物的體積約為150cm3 ；
[0037]2)向裝有混合物的容器中加入400ml的丙酮，攪拌得懸濁液，然后將容器密封；
[0038]3)對(duì)步驟2得到的裝有懸濁液的容器在20?40°C條件下進(jìn)行超聲清洗，超聲5?lOmin，其中，超聲清洗期間同時(shí)對(duì)混合物進(jìn)行攪拌；
[0039]4)將步驟3超聲清洗后的混合物在室溫到60°C的溫度下烘干，得到混合干燥的混合物；
[0040]5)將混合干燥的混合物采用真空熔煉的方法制備成急冷釬料的母合金，將該母合金粉碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0041]6)將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為l_2mm ；
[0042]7)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5X10_2Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9X10-5Pa，然后向石英玻璃管內(nèi)充滿高純Ar氣至190_210mbar之間；
[0043]8)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速us = 27-31m/s，開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體55-65s ；
[0044]9)將