（材料科学与工程专业论文）tizrnicu非晶态钎料真空钎焊ta15钛合金的研究.pdf

一： 。! r 一 。b j 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：j 垒 二日期：型0 0 6 哆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：任二 翩张车l 导师签名：笸丝鱼 日期：z o f o 0 6 d ， 、9 j 1 摘要 摘要 众所周知，钛合金具有优良的性能和良好的抗腐蚀性，在航空航天、航海、 化学和石油等工业中处于重要的地位。在众多钛合金中，近0 l 型钛合金t a l 5 凭 借其出色的钎焊性能已经广泛应用于航天领域。为了改善真空钎焊t a l 5 钛合金 的钎焊工艺以提高其力学性能，本研究制备了可用于t a l 5 钛合金真空钎焊中的 t i z r - n i c u 四元非晶态钎料，分别为t i 4 0 z r 2 5 n i l5 c u 2 0 ( 1 号) 、t i 4 5 z r 3 4 n i l 3 c u 8 ( 2 号) 、t i 3 7 5 z r 3 7 5 n i l 0 c u l 5 ( 3 号) 、t i 5 5 z r l 3 n i 9 c u 2 3 ( 4 号) 。本试验采用真空 甩带机制备不同配比的非晶态钎料，并对比其成带性能，通过球磨设备对制备的 非晶态薄箔状钎料进行制粉试验，得到粉末状的t i z r - n i c u 非晶钎料。论文通 过d s c 试验分析来拟定钎焊参数，对t a l 5 钛合金单剪搭接接头进行真空钎焊， 并对钎焊后的试样进行剪切力学性能测试和焊缝的显微组织观察，采用x 射线 衍射分析断口物相组成。 论文选取了四种不同配比的粉末状钎料和薄箔状钎料，通过x r d 物相分析 可知，钎料在两种状态下均具有宽大的衍射峰，但没有明显与结晶相对应的衍射 峰，说明四种配比的钎料均为非晶态。试验通过d s c 分析钎料的熔点，确定钎 焊温度区间为9 3 0 0 c 至9 7 0 0 c ，保温时间区间为1 0 分钟至1 2 0 分钟。粉末状2 号钎料的d s c 分析结果发现，这种钎料的熔点超过1 2 0 0 0 c ，与薄箔状2 号钎料 相比发生了物相改变，导致粉末状t i 4 5 z r 3 4 n i l 3 c u 8 焊接t a l 5 搭接接头的剪切 强度较低。 论文对9 3 0 0 c 保温1 0 分钟工艺条件下制备的四种薄箔状钎料搭接接头焊缝 组织区域进行显微观察。结果发现c u 元素、n i 元素和z r 元素主要聚集在焊缝 中央较为粗大的块状组织中，从而导致接头强度的降低。由于2 好钎料和4 号钎 料在此工艺下，钎料的铺展性能较差，在断口都出现了明显的漏焊现象，也导致 剪切强度不高。钎焊温度增至9 7 0 0 c 并延长保温时间至1 2 0 分钟的钎焊工艺试验 结果表明会消除较粗大的块状组织并取代为相对细小的晶粒组织，各元素的分布 较为均匀，消除了c u t i 、c u a 1 等脆性相，搭接接头剪切强度较高。此外，结 果也表明l 号、3 号、4 号钎料焊接的搭接接头都出现断裂于母材的现象，尤其 是4 号钎料的搭接接头全部断裂于母材，其剪切强度相对于其它钎料在此工艺下 最高。本文通过对9 3 0 0 c 保温1 0 分钟工艺条件下制备的四种粉末状钎料搭接接 头焊缝组织区域的显微组织分析可知，除了2 号粉末状钎料以外，其它三种粉末 状钎料在此较短的保温时间下相对于薄箔状钎料的铺展性能得到了明显的提高， 并且搭接接头剪切强度的标准偏差数值较低。 北京工业大学工学硕二l ：学位论文 关键词t i z r - n i c u ；t a l5 ；非晶态钎料；力学性能；显微组织 a b s t r a c t a bs t r a c t t i t a n i u ma l l o y sp o s s e s se x c e l l e n ts p e c i f i cs t r e n g t ha n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n d p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei na p p l i c a t i o no fa s t r o n a v i g a t i o nf a c i l i t y , n a v i g a t i o nf a c i l i t y , c h e m i c a li n d u s t r y , a n do i li n d u s t r y , e t c p a r t i c u l a r l yf o r t h en e a r - a l p h at i t a n i u ma l l o y s ， t a15h a sb e e nw i d e l ye m p l o y e di na v i a t i o ni n d u s t r yd u et oi t so u t s t a n d i n gb r a z i n g p r o p e r t i e s i nt h i sr e s e a r c h ，t i z r - c u n iq u a t e r n a r ya m o r p h o u sf i l l e rm e t a l sw e r e f a b r i c a t e db ys i n g l e r o l lr a p i d l ys o l i d i f i e de q u i p m e n ti nav a c u u ma n dt h r o u g ht h e m i l l i n ge q u i p m e n tt o o b t a i na m o r p h o u sb r a z i n gp o w d e r t i z r - c u - n i q u a t e r n a r y a m o r p h o u sf i l l e rm e t a l sw e r eu s e dt ob r a z et h et a 15a l l o yb e l o wt h e i rb e t a - p h a s e t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei no r d e rt oo b t a i no p t i m i z e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft i t a n i u m a l l o y sl a pj o i n t s w e r e i n v e s t i g a t e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) ， a n ds h e a r s t r e n g t h m e a s u r e m e n t t h e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s o f a m o r p h o u s t i 4 0 z r 2 5 n i15 c u 2 0 ( n o 1 ) 、t i 4 5 z r 3 4 n i13 c u 8 ( n o 2 ) 、t i 3 7 5 z r 3 7 5 n i10 c u l5 ( n o 3 ) 、t i 5 5 z r l3 n i 9 c u 2 3 ( n o 4 ) s o l d e r s i n b r a z i n g t i t a n i u m a l l o y w e r e d e m o n s t r a t e d i nt h i se x p e r i m e n t ，f o u rk i n d so fa m o r p h o u ss o l d e r si ns o l d e rp o w d e ra n dt h i n f o i l l i k es o l d e rw e r ea n a l y z e db yx r d i ti n d i c a t e dt h a ta l ls o l d e r se x h i b i t e dl a r g e d i f f r a c t i o np e a k sa n dt h e r ew e r en os i g n i f i c a n t l yd i f f r a c t i o np e a k sc o r r e s p o n d i n gt o c r y s t a l l i n ep e a k s i ta l s od e m o n s t r a t e dt h a tt h es o l d e ra l l o y sp o s s e s s e da m o r p h o u s s t r u c t u r e ，r e s p e c t i v e l y b r a z i n gt e m p e r a t u r er a n g ew a s9 3 0 0 ct o9 7 0 0 ca n dh o l d i n g t i m ew a s10m i n u t e st o12 0m i n u t e sw h i c hw e r ea s c e r t a i n e db yd s c e x p e r i m e n t i t h a sb e e nd i s c o v e r e dt h a tt h em e l t i n gp o i n to fb r a z i n gp o w d e rn o 2w a sm o r et h a n 12 0 0 。c ，r e s u l t e di nt h es h e a rs t r e n g t ho ft a15l a pj o i n t sw h i c hw e r eb r a z e db y b r a z i n gp o w d e rn o 2w e r ev e r yl o w m i c r o s c o p i co b s e r v a t i o nw a si m p l i e di nt h ew e l d i n gs e a mo fl a pj o i n t sw h i c h b r a z e db yf o u rk i n d so fa m o r p h o u sf i l l e rm e t a li n9 30 0 ca n dh o l d i n g10m i n u t e s f i r s t l y i tw a si n v e s t i g a t e dt h a tc ue l e m e n t s ，n ie l e m e n t sa n dz re l e m e n t sw e r em a i n l y i nt h er e l a t i v e l ym a s s i v et e x t u r ei nt h ec e n t r a lo fw e l d i n gs e a mw h i c hw e r el e a dt o r e d u c et h es h e a rs t r e n g t h w i t ht h ee x a m i n a t i o no ff r a c t u r eo fl a pj o i n t s ，t h e p h e n o m e n o no fl a c ko fw e l di st h ep r i m a r yr e a s o nc a u s e dl o ws h e a rs t r e n g t h t h e b r a z i n gt e m p e r a t u r ew a si n c r e a s e dt o9 7 0 0 ca n dh o l d i n gt i m ew a sr a i s e dt o 12 0 m i n u t e si nf u r t h e re x p e r i m e n t s ，t h er e l a t i v e l ym a s s i v et e x t u r ei nt h ec e n t r a lo fw e l d i n g 北京工业人学一i 学坝二l 学位论义 s e a mw e r er e p l a c e db yt h er e l a t i v e l y s m a l lg r a i no r g a n i z a t i o n s m o r eu n i f o r m d i s t r i b u t i o no f e l e m e n t sa n dl e s sc u t ib r i t t l ep h a s ee n h a n c e dt h es h e a rs t r e n g t ho fl a p i o i n t s i nt h es h e a re x p e r i m e n t ，ap a r to fl a pj o i n t sb r a z e db yn o 1 a n dn o 3f i l l e r m e t a l sf r a c t u r e di nb a s em e t a l ，e s p e c i a l l ya l lo fl a pj o i n t sb r a z e db yn o 4f i l l e rm e t a l s f r a c t u r e di nb a s em e t a l t h ep r o c e s so fu s i n gn o 3a n dn o 4f i l l e rm e t a lb r a z i n gt a 15 i n9 7 0 。ca n dh o l d i n g1 2 0m i n u t e sc a nb ea p p l i e di np r a c t i c e i na d d i t i o n ，f r a c t u r e a n a l y s i s w a sa l s o i n v e s t i g a t e d t h a t l a pj o i n t s w h i c hb r a z e db yf o u rk i n d so f a m o r p h o u sp o w d e r si n9 7 0 0 ca n dh o l d i n g10m i n u t e s i nt h eb r a z i n gc o n d i t i o no f r e l a t i v e l yl e s sh o l d i n gt i m e ，t h es p r e a d a b i l i t yo ft h r e ek i n d so fa m o r p h o u sb r a z i n g p o w d e ri m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ye x c e p tb r a z i n gp o w d e rn o 2 ，t h u st h ec o r r e s p o n d i n g s h e a rs t r e s sh a sa l s ob e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d st i z r - n i ，c u ，t a l5 ，a m o r p h o u s s o l d e ra l l o y s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， m i c r o s t r u c t u r e 1 v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目 录一v 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义一l 1 1 1 钛合金的钎焊l 1 1 2 非晶态钎料2 1 1 3t i z r - n i c u 系钎料3 1 2 国内外的主要研究现状及动态一4 1 2 1 钛基钎料的应用与发展一4 1 2 2 制备非晶钎料的研究5 1 2 3 非晶态钎料合金成分的选取6 1 2 4 真空钎焊钛合金的研究一6 1 3 本课题的来源及主要研究内容7 1 3 1 课题来源7 1 3 2 主要研究内容一7 1 3 2 1 制备薄箔状非晶态钎料7 1 3 2 2 制备粉末状非晶态钎料7 1 3 2 3 真空钎焊8 1 3 2 4 力学性能测试8 1 3 2 5 显微组织观察8 1 3 2 6 宏观断口观察8 第2 章材料制备与实验方法9 2 1 材料的制备。9 2 1 1 实验设备和原料9 2 1 2 配制钎料合金一9 2 1 3 钎料合金熔炼9 2 1 4 熔炼后试样的处理1 0 2 2 制各非晶态钎料10 2 2 1 实验设备lo 北京工业入学工学坝上学位论义 2 2 2 实验方法l1 2 3 薄箔状钎料甩带结果分析1 1 2 3 1 非晶态钎料的x r d 分析1 2 2 3 2 常品态和非晶态钎料的d s c 测试对比1 3 2 3 3 非晶态钎料成带性对比1 7 2 4 粉末状钎料的制备与甩带结果分析1 8 2 4 1 粉末状非晶态钎料的制各1 8 2 4 2 粉末状非晶态钎料的x r d 分析。1 9 2 4 3 粉末状非晶态钎料的d s c 分析2 1 2 5 制备金相试样2 2 2 5 1 样品的镶嵌2 2 2 5 2 样品的磨光2 2 2 5 3 样品的抛光2 2 2 5 4 样品的腐蚀2 2 2 6 本章小结2 3 第3 章非晶态钎料真空钎焊2 5 3 1 真空钎焊2 5 3 1 1 真空钎焊的原理2 5 3 1 2 真空钎焊的工艺2 5 3 1 2 1 钎焊温度2 5 3 1 2 2 钎焊保温时间2 6 3 1 2 3 钎焊工艺参数设计及步骤2 6 3 2 钎焊过程3 0 3 2 1 实验装置和原料3 0 3 2 1 1 真空钎焊炉3 0 3 2 1 2t a l 5 搭接接头及卡具3 1 3 2 2 钎焊前准备3 3 3 2 2 1t a l 5 搭接接头的焊前准备3 3 3 2 2 2t a l 5 搭接接头的定位与钎料的摆放3 3 3 3 本章小结3 4 第4 章搭接接头剪切性能测试3 5 4 1t i 4 0 z r 2 5 n i l 5 c u 2 0 ( 1 号钎料) 搭接接头剪切性能测试3 5 4 1 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度3 5 目录 4 1 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度3 7 4 1 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的剪切强度3 8 4 2t i 4 5 z r 3 4 n i l 3 c u 8 ( 2 号钎料) 搭接接头剪切性能测试4 0 4 2 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度4 0 4 2 2 在9 4 0 0 c 保温6 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度4 2 4 2 3 在9 5 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度4 4 4 2 4 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度4 6 4 2 5 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用两种状态钎料的剪切强度4 8 4 3t i 3 7 5 z r 3 7 5 n i l 0 c u l 5 ( 3 号钎料) 搭接接头剪切性能测试4 9 4 3 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度4 9 4 3 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度5 1 4 3 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的剪切强度5 2 4 4t i 5 5 z r l 3 n i 9 c u 2 3 ( 4 号钎料) 搭接接头剪切性能测试5 4 4 4 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度5 4 4 4 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的剪切强度5 5 4 4 3 在9 7 0 0 c 保温l o 分钟使用粉末状钎料的剪切强度5 6 4 5 搭接接头剪切性能测试结果对比5 8 4 5 1 四种不同配比的薄箔状钎料在9 3 0 0 c 下保温1 0 m i n 的剪切强度5 8 4 5 2 四种不同配比的薄箔状钎料在9 7 0 0 c 下保温1 2 0 m i n 的剪切强度5 8 4 5 3 四种不同配比的粉末状钎料在9 7 0 0 c 下保温1 0 m i n 的剪切强度5 9 4 5 4t i 4 5 z r 3 4 n 订3 c u 8 ( 2 号钎料) 在不同状态及工艺条件的剪切强度6 0 4 6 本章小结6 0 第5 章显微组织观察与分析6 3 5 1t i 4 0 z r 2 5 n i l 5 c u 2 0 ( 1 号钎料) 的显微观察与组织分析6 3 5 1 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析6 3 5 1 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析6 6 北京t 业大学工学坝二j 二学位论义 5 1 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的显微观察与组织分析7 0 5 2t i 4 5 z r 3 4 n i1 3 c u 8 ( 2 号钎料) 的显微观察与组织分析7 4 5 2 1 在9 4 0 0 c 保温6 0 分钟使用簿箔状钎料的显微观察与组织分析7 4 5 2 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析7 7 5 2 3 在9 7 0 0 c 保温l o 分钟使用簿箔状钎料的显微观察与组织分析8 0 5 3t i 3 7 5 z r 3 7 5 n i l 0 c u l 5 ( 3 号钎料) 的显微观察与组织分析8 4 5 3 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析8 4 5 3 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析8 7 5 3 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分例，使用粉末状钎料的显微观察与组织分析9 0 5 4t i 5 5 z r l 3 n i 9 c u 2 3 ( 4 号钎料) 的显微观察与组织分析9 4 5 4 1 在9 3 0 0 c 保温l o 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析9 4 5 4 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的显微观察与组织分析9 6 5 4 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的显微观察与组织分析1 0 0 5 5 本章小结1 0 3 第6 章宏观断口的形貌观察和物相分析1 0 5 6 1t i 4 0 z r 2 5 n i l 5 c u 2 0 ( 1 号钎料) 断口观察及物相分析1 0 5 6 1 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 0 5 6 1 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 0 6 6 1 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的断口分析1 0 7 6 2t i 4 5 z r 3 4 n i l 3 c u 8 ( 2 号钎料) 断口观察及物相分析一1 0 9 6 2 1 在9 4 0 0 c 保温6 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 0 9 6 2 2 在9 5 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析11 0 6 2 3 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 1 l 6 2 4 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 1 3 6 2 5 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的断口分析1 1 4 6 3t i 3 7 5 z r 3 7 5 n i l 0 c u l 5 ( 3 号钎料) 断口观察及物相分析1 1 5 日求 6 3 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 1 5 6 - 3 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 1 6 6 3 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的断口分析1 1 8 6 4t i 5 5 z r l 3 n i 9 c u 2 3 ( 4 号钎料) 断口观察及物相分析一1 1 9 6 4 1 在9 3 0 0 c 保温1 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 1 9 6 4 2 在9 7 0 0 c 保温1 2 0 分钟使用薄箔状钎料的断口分析1 2 0 6 4 3 在9 7 0 0 c 保温1 0 分钟使用粉末状钎料的断口分析1 2 2 6 5 本章小结1 2 3 结论1 2 5 参考文献1 2 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文1 3 1 致诩j 一13 3 f 北京工业人学：亡学硕j 二学位论文 x 一 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 近十几年来，非晶态合金钎料技术发展迅速，其研究和应用已在材料、冶金、 能源、化工、机械和电子等学科与行业受到极大重视，采用急冷快淬技术已开始 在钎焊领域的诸多方面得到广泛地应用。而钛合金以其低密度、高强度、高疲劳 性和耐腐蚀性及良好的比强度等优良性能，并可在6 0 0 0 c 以上的温度下工作【l 】， 在现代工业，特别是航空、航天中起着重要的作用。但其本质决定了其钎焊的主 要温度、时间的局限性，使用焊料并在钎焊温度低于b 相转变温度时可获得优良 机械性能的钛钎焊部件。其中t a l 5 钛合金( t i 。a 1 z r - m o v 系) 就是一种可以在d 相转变温度以下进行钎焊的材料，该合金强度高于t c 4 ，具有与0 【型钛合金同样 好的焊接性能和接近0 【+ b 型钛合金的工艺塑性。本课题在掌握非晶态钎料制备方 法并自行研制的基础上，研究应用非晶态钎料时，钎焊工艺对母材及其接头强度 和微观组织的影响。研究的重点在于不同的非晶态钎料在不同的钎焊工艺下，对 t a l 5 钛合金拉伸强度和微观组织变化的影响。 1 1 1 钛合金的钎焊 钛的化学性质活泼，高温下极易氧、氮、碳等非金属元素反应，给钛及钛合 金的冶炼加工和焊接都带来了一定的困难，钛及钛合金的接对气氛控制的要求比 钢严格，已研究开发出多种钛合金的连接方法，包括焊接、钎焊和扩散焊。其中 钎焊广泛应用于航空航天制造业中【2 】。由于钎焊具有焊接温度低，焊件变形小， 可以精密成型等优点。在使用钛合金焊接形状复杂及薄壁零件时，一般采用钎焊 的方法，由于钎焊时不产生飞溅的金属液珠，焊接截面厚度增加小，在对焊接质 量要求严格，对焊件重量敏感的航天领域有重要的应用。 t a l 5 合金的名义成分为t i 6 5 a 1 2 z r - 1 m o 。1 v ，其主要的强化机制是通过d 稳定元素a l 的固溶强化，加入中性元素z r 和b 稳定元素m o 和v ，可以改善工 艺性。该合金的a l 当量为6 5 8 ，m o 当量为2 4 6 ，属于高a l 当量的近0 【型 钛合金【3 】。该合金属强度水平超过9 3 0 m p a ，长时间工作温度可达5 0 0 0 c ，瞬时 工作温度可达8 0 0 0 c ，而在4 5 0 0 c 下工作时，寿命可达6 0 0 0 h 4 刊。近年来对t a l 5 钛合金的研究发现，当m o 、v 和z r 含量接近标准成分范围的上限，该合金的p 稳定系数( k b ) 可达到0 3 左右，比典型的两相钛合金t i 6 a 1 4 v 的k b ( o 2 5 ) 还高【，岿j ， 具有接近于叶b 型钛合金良好工艺塑性和旺型钛合金同样好的焊接性能。 北京：r 业大学 = 学硕：j ：学位论文 1 1 2 非晶态钎料 非品态钎焊料是随着熔体快淬技术发展起来的，非晶态焊料具有非晶结构， 即使是形成了微晶结构，晶粒和相尺寸也远远小于常规工艺制造的晶态产品【9 】。 一般来说，它具有以下的基本特征：在固态下原子排列具有短程有序而长程无序； 具有高达1 0 1 3 泊以上的粘滞系数：在某一窄的温区内能够发生明显的结构相变 【l0 1 。由于成分组织非常均匀，它们可以在一个相当窄的熔化区间熔化，这是因为 不同元素的原子，熔融成液相所需的扩散距离要小很多，缩短焊接时间，减少母 材由于退火而引起的性能损失。更重要的一点是由于非晶态带材的韧性，焊料可 方便的制成各种形状预置于焊缝中【l 。由于制造工艺简单，非晶钎料具有非常少 的杂质含量。非晶态钎料厚度一般只有3 0 “m 5 0 1 1 m ，靠常规压力加工方法很难 达到这个尺寸，这也是非晶钎料优于常规焊料的地方。 与常用的脆性粉状钎料、粘带状钎料和丝、泊状晶态钎料相比，非晶态钎料 具有如下独特的优点： ( 1 ) 钎缝组织和成分均匀 由于非晶态钎料是从液态合金快速冷却而成，其化学成分保持液态时的均匀 性，既无晶粒，又无共晶相析出，熔化均匀，合金中不存在粗大的化合物相，因 此合金组织单一细化。组织、成分均匀是非晶念钎料的最大特点。而粉状和粘带 状晶态钎料润湿表面各元素分布很不均匀，粗大脆性化合物组织呈立体架空状分 布，其元素偏析严重的【l2 | 。 ( 2 ) 材质纯净，能显著地提高钎焊接头的质量 非晶态钎料杂质含量少，纯度高。另外，非晶态钎料的制取无需经过锻、轧、 拉和拔等过程，因此不受加工氧化和润滑剂的污染。例如，对于n i c r - b s i 钎料 因脆性常制成粉术。经分析粉末的含氧量比相同成分的非品态钎料至少高出1 0 倍，如果制成膏剂或粘带，则钎料中的杂质就更多，直接影响并降低基材性能和 接头强度。 ( 3 ) 使用方便，成分可调整性强 目前开发研究的用于高温钎焊的钎料，多由合金元素n i 、c r 、f e 、t i 、z r 等以及s i 、b 、p 等非金属元素所构成，这类合金都很脆，很难制成箔状，往往 用雾化法制成粉状或直接采用叠层状。叠层状钎料调整成分十分困难。粉状钎料 使用起来非常不便。非晶态钎料虽然也含s i 、b 、p 等脆性化合物元素，但由于 成分均匀，组织细化，无粗大脆性相，而使制成的钎料箔具有较好的柔韧性，可 根据钎接件的实际需要，预先制成一定形状，准确地置于钎焊接头的间隙中，减 少钎料的浪费，降低成本；并且可以方便地调整母合金的成分，得到各种成分的 非品态钎料。 第i 苹绪论 ( 4 ) 浸润性、流动性好 非晶态钎料比晶态钎料的润湿性能好，是因为非晶态钎料在加热过程中几乎 是同时、均一地熔化和铺展；而晶态钎料存在较大偏析现象，各相熔点不一致， 因而低熔点相先熔化、铺展，随后高熔点部分因流速缓慢而堆积，造成分层现象； 另外，由于非晶型结构是不稳定的，在接近熔化时有析出晶体的倾向，故在熔化 瞬间会放出大量的热，有利于加剧钎料中元素扩散，从而提高钎料的润湿能力【1 3 】。 ( 5 ) 焊接间隙进一步减小 对于采用镍基钎料钎焊不锈钢、耐热钢、高温合金，希望钎焊间隙尽可能的 小。但粉状和粘带状钎料很难保证钎缝的小间隙。而镍基非晶态钎料箔则可以做 得很薄，置于钎缝内，从而保证钎缝的小间隙。 ( 6 ) 钎焊后接头的衬热温度不降低 由于非晶型箔一旦熔化再冷凝时仍将生成通常的合金结晶结构，因此，钎接 层不会像非晶型箔那样，在较低温度下熔化。由此可见，非晶型金属箔对于高温 钎焊，特别是对于高温合金、陶瓷的钎焊具有重要的意义。 ( 7 ) 钎焊工艺简单，实施方便 与粉状钎料相比，非晶态钎料不含有机粘结剂和助焊剂，在钎焊过程中无杂 质产生，消除了对钎焊炉的污染；另外，使用粉状钎料，用量不易控制，需采用 垫片来保护问隙，易产生流布不均匀和母材的溶蚀。而非晶钎料箔则可解决上述 问题，大大简化钎焊操作。 1 1 3t i z r - n i c u 系钎料 钛基钎料研究早期，曾尝试向钛中添加f e 、n i 、z r 、b e 、c o 、v 等元素， 以降低钛的熔点。后来，研究发现向钛中添加c u 可提高钎焊接头强度及耐腐蚀 性。加入z r 可提高流动性。再后来发现t i z r - n i c u 的组合可有效减小钎焊的温 度。近几十年来研究开发的钛基钎料均是t i 或t i z r 和n i 、c u 、b e 等组成的低 熔点共晶合金。 目前认为，t i c u n i 和t i z r - n i c u 类合金是最佳的钎料，特别是对于高温 操作和高腐蚀性环境下的接头。20 世纪70 年代早期，c e s m e l t z e r 和 a n h a m m m e r 对这些合金进行了基本研究，并开始改进它们。应该注意到，由 前苏联vs r i l n i k o v 等人独自研究的t i z r - c u n i 基钎料，在2 0 世纪6 0 年代就 已投入批量生产。在钛合金钎焊研究中，一项非常重要的改进就是引入由快速固 化技术生成的、厚度仅为2 0 1 t m 到6 0 9 m 的连续薄带状t i z r - n i c u 基非晶态合金。 这些非晶念均匀柔软的薄箔，有着优良的熔融和浸润特性，与商用钛合金锆合 金和难溶合金有很好的兼容性。它能以最小量和最准确的方法在间隙中预先置放 北京- t 业人学：【学硕j 二学位论义 钎料，从而能达到用粉术状或包层带状钎料达不到的钎焊接头机械性能。此合金 的熔化温度范围从8 4 0 。c 至9 0 0 。c ，比大多数t i 基材料的1 3 相变温度至少低 4 0 0 c 。 1 2 国内外的主要研究现状及动态 由于钛合金具有优异的机械性能、焊接性能和耐蚀性能，这使得钛和钛合金 在航空航天工业和化学工业中的应用日益广泛。钛合金焊接方法的发展对于钛合 金的推广应用起了很重要的作用。对于结构复杂、薄壁精密的零件，一般是用钎 焊的方法连接而成的。但由于钛合金与许多可作为钎料的金属形成脆性化合物， 使钎焊接头变脆。因此，国内外的许多学者在钛合金用钎焊料的选择方面作了大 量的工作【14 1 。 1 2 1 钛基钎料的应用与发展 钛基钎料与银基、铝基钎料相比，钎焊接头强度更高，耐蚀性、耐热性更好。 因而在航空、航天、火箭、人造卫星、造船、化工、冶金等工业部门被广泛应用。 例如： ( 1 ) 钎焊陶瓷 s i 3 n 4 陶瓷是一种很有前途的工程结构陶瓷材料，其主要应用领域是热机、 耐磨部件以及热交换器等。活性钎焊技术以其工艺简单、连接强度高、重复性好、 接头尺寸及形状的适应性广、相对成本低等一系列优点而成为金属陶瓷连接的 首选技术，而高温活性钎料的开发则是这一领域的研究热点。非晶态这种热力学 非稳态组织有利于加速高温钎焊过程中原子的扩散和界面反应，降低连接所需的 温度，从而减小接头中的残余应力和提高接头强度，但不降低钎焊后接头的耐热 温度，非晶钎料中活性元素( t i ) 的扩散能力大大加强，通过合金成分的调整可以 使活性元素基本扩散到界面上被界面反应所消耗，避免脆性化合物的大量形成， 有利于进一步提高接头强度【l 引。 ( 2 ) 钎焊石墨与铜 石墨与铜及其合金的焊接存在的主要问题是物理性能差异导致接头存在较 大的残余应力。利用t i 基非晶态箔片钎焊石墨与铜，在最佳工艺参数下，力学 性能良好，可获得较高的剪切强度。而且通过钎料中活性元素t i ，z r 与石墨母 材问的反应生成金属问化合物，铜母材大量溶解并参与冶金反应，实现钎料对母 材的连接【1 6 】。 第l 章绪论 ( 3 ) 卫星钛导管的钎焊 卫星上许多运送无水肼的钛导管，原来多采用不添加焊丝的全位置氩弧焊连 接工艺，但焊接时，不仅要求导管装配工艺高，而且焊缝局部会出现0 2 0 5 m m 深的凹陷，这对于壁厚较薄的钛导管来讲，会大大降低其连接强度，影响可靠性 m 】。所以现在多改用钛基钎料的钎焊。钛基钎料因自身的良好性能可大大提高接 头可靠性。 钛基非晶态前焊料的应用远不止这些，随着科研工作者的努力，众多新型钛 基非晶态前焊料将不断出现，满足不同行业的钎焊需求。 1 2 2 制备非晶钎料的研究 最早成功制备非晶态合金的报道是在1 9 3 4 年，由德国人k r a m e r 采用蒸化沉 积的方法获得了非