[发明专利]一种用于钎焊Nb‑Ti高温合金的Ni基钎料的制备及钎焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于钎焊Nb基高温合金的钎料制备和钎焊方法，属于焊接材料领域。

背景技术

Nb-Ti高温合金是一种新型的具有体心立方结构的(βTi,Nb)固溶体合金，其具有比镍基合金更高的熔点，良好的室温塑性和中温强度。Nb-Ti合金不仅力学性能好，而且在Nb中加入大量的Ti可大大提高Nb合金的抗氧化性能。根据Ti加入量的不同，这些合金的密度一般为6.2-6.9g/cm³，而高温合金的密度一般为8.1-8.6g/cm³，因此，Nb-Ti高温合金可以取代Ni及高温合金而应用到航天器的关键部件上。作为一种新型的高温材料，要实现Nb-Ti高温合金的实际应用，其材料连接技术至关重要。目前，常见的高温合金的连接技术主要有三种，分别为熔焊、扩散焊和钎焊。其中，钎焊具有许多优点，如钎焊温度相对较低、可以对复杂形状的结构进行连接、可实现高精度连接，而且可实现异种材料连接，而且工艺简单。因此，钎焊技术在高温材料的连接领域获得广泛的应用。

目前，常见的商用钎料中，Ag基、Al基和Au基钎料钎焊温度较低，钎焊接头的实际服役温度一般都低于500℃，不适合用于Nb-Ti高温合金的钎焊(Materials Science and Engineering A,2012,551:133-139)。在高温钎料中，主要以Ni基或Ti基钎料为主，这类钎料的钎焊温度一般位于1000～1300℃。如Ni-Cr、Ni-Cr-Si和Ni-Cr-B等钎料，Ti基钎料如Ti-Ni,Ti-Zr-Cu-Ni-Co,Ti-Cu-Ni,Ti-Ni-V和Ni-Ti-Nb等钎料被用于钎料Ti₃Al、TiNi、镍基高温合金和C_f/SiC复合材料等(Journal of the European Ceramic Society 2003,23:547-553,Science and Technology of Welding and Joining,2011,16(2):193-198,Materials Science and Engineering:A,2015,636:522-528)。使用上述钎料的钎焊接头一般具有较高的结合强度和良好的抗氧化性能，同时，Ti、Cr和Nb等元素为活性元素，可与常见的陶瓷发生界面反应，提高钎焊接头的剪切强度。

针对不同的基体材料，钎料的成分和含量也应不同，但目前有关对Nb基高温合金的焊接的报导很少，没有合适的钎焊材料与相关工艺对其进行焊接，本发明主要解决Nb-Ti高温合金相关钎料和钎焊工艺缺乏的问题。

要实现对Nb-Ti高温合金良好连接，钎料与钎焊接头应满足以下几个方面要求：①需要寻求熔点尽可能高的钎料，具有良好的抗氧化性能，以满足其高温使用需求；②钎料与Nb-Ti合金具有良好的润湿性能；③钎焊接头的内应力应比较低，具有足够高的强度。

发明内容

本发明主要解决Nb-Ti高温合金相关钎料和钎焊工艺缺乏的问题，提供一种真空钎焊Nb-Ti高温合金的钎料的制备方法和钎焊工艺，本发明的钎料和钎焊方法也可用于其它Ni基、Ti基和Nb基高温合金。

选择合适的钎料对获得高性能的接头以满足基体材料在特定条件下服役至关重要。需要综合考虑钎料与基体材料的之间的物理和化学相容性、润湿性、及相匹配的热膨胀系数等因素。

为了增强钎料与Nb-Ti基体合金的润湿性能，使钎焊接头具有较高的强度和抗氧化性能，本发明选择Ni-Ti-Nb合金为钎料体系。该钎料体系具有以下几个方面优点：①钎料中的Ti元素和Nb元素为是基体的主要元素，可以保证钎料与基体具有良好的润湿性；②钎料中的Ni元素有两个方面作用，首先是作为熔点调节元素，以调节钎料的熔点；其次是Ni元素与基体中的Ti和Nb均能反应，生成NiTi₂、NiTi、Ni₃Ti、Ni₃Nb和NiNb等金属间化合物，可以达到良好的界面结合；③Ni-Ti-Nb钎料具有良好的塑性，这有利于钎焊接头的塑性变形及应力的释放，同时该合金具有优异的抗高温氧化性能。

一种用于钎焊Nb-Ti高温合金的Ni基钎料的制备方法，其特征在于钎料的组分及含量按原子百分数为：Ni：60～70％，Ti：20～30％，Nb：5～15％。上述钎料的优选成分为：Ni：63～67％，Ti：20～25％，Nb：8～12％。

上述钎料是按下列步骤和工艺制备而成：