形状记忆合金、粉末冶金合金的钎焊.doc

东莞市力华机械设备有限公司形状记忆合金、粉末冶金合金的钎焊形状记忆合金作为一种新型功能材料为人们所认识，已经成为一个独立的学科分支，始于1963年。当时美国海军试验室的一个研究小组，一次偶然的情况下发现了，因为Ti-Ni合金工件温度的不同，敲击时发出的声音明显有所不同，说明其声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究，发现近等原子比的Ti-Ni合金有着良好的形状记忆效应，大约到1975年左右，相继开发出具有形状记忆效应的合金达20多种。后来在一些铁基合金、尤其是FemnSi基合金和不锈钢中也发现了形状记忆效应，有些很快在工业界获得了应用。研究发现，凡是完全具有形状记忆效应的合金都具有相变伪弹性效应，有的合金可以实现双程形状记忆效应，有的可以实现全方位形状记忆效应，还发现Ti-Ni合金等在相变过程中存在着中间相，利用中间相变的可逆性，不仅大大地缩小温度滞后，且大幅度地改善了材料的疲劳寿命和记忆效应的稳定性。双程形状的记忆效应、全方位形状记忆效应、R相变等现象的发现，为形状记忆合金的应用开拓了更广阔的前景。目前形状记忆合金应用几乎涉及所有工业领域，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电及日常生活用品等。其中TiNi形状记忆合金是所以合金中记忆性能最好、最稳定、发展最早、研究得最全面且应用最广的合金，这与其具有良好的物理性能、优异的力学性能、良好的形状记忆性能及特有的生物相容性能是分不开的。对Ti-Ni形状记忆合金的钎焊工艺已开展了一些研究工作，方法主要有软钎焊、炉中钎焊、红外线钎焊、电阻钎焊及激光钎焊等。Ti-Ni形状记忆合金的软钎焊适用于在惰性气氛条件下，连接Ti-Ni合金或Ti-Ni合金与其他金属的软钎焊方法是：首先采用一种以乙醇胺为载体、氟化物为去膜成分、另外至少含两种金属氯化物的钎剂去除Ti-Ni合金表面的氧化膜，同时钎剂中的金属在母材表面形成一层熔敷金属膜防止母材再次被氧化；然后在二连接工件之间加入一种钎料，熔融的钎料与母材表面熔敷的金属膜作用形成接头。Ti-Ni形状记忆合金的炉中钎焊渡边 健彦等人研制了能在大气中钎焊Ti-Ni形状记忆合金的钎料和钎剂，但未研究钎焊接头的形状记忆特性。钎焊的Ti-Ni合金成分为：（Ni）=55.75%，（Si）=0.011%，（Mg）=0.028%，（O）=0.117%，（N）=0.002%，余Ti。以BAg-7钎料与基础研制的钎料成分为（质量分数，%）：Ag59，Cu23，Zn15，Sn1，Ni2。研制的钎剂成分为（质量分数，%）：AgCl25，KF25，LiCl50，该钎剂能使银钎料在Ti-Ni形状记忆合金上很好地湿润。钎焊分两步进行。第一步为预熔敷钎料，将研制的钎料及钎剂置于连接部分，使钎料熔化后熔敷在连接部位；第二步为连接，在熔敷钎料层的连接部位涂上通用的银钎料用钎剂，然后将需要连接的部件装配在一起，并压上100g重物，在炉中进行钎焊。Ti-Ni形状记忆合金的红外线钎焊日本大阪大学的研究者们采用Ag-Cu共晶钎料BAg-8（BAg72Cu）、添加（Ni）=0.5%3%的Ni的BAg-8钎料实现了Ti-Ni合金与SUS304不锈钢的钎焊连接。在红外线加热炉中于氩气保护气氛中进行钎焊，并施加0.5MPa的压力。结果表明，采用BAg-8钎料钎焊时，采取较低的温度或短的保温时间钎焊，在接合面上可形成均匀的反应层，接合强度为200250MPa，最高强度可达275MPa，断裂均发生在钎料与焊接件界面上所形成的Fe-Ti系统化合物附近；采用加Ni的钎料钎焊时，能抑制Fe和Ti的溶解故而不形成的Ni3Ti层和NiTi层，因为不形成Fe-Ti系化合物，所以接头最高断裂强度可提高到400MPa左右。Yang T.Y.等以25m和50m厚的纯铜箔为钎料对Ti50Ni50（摩尔分数，%）形状记忆合金进行了红外线钎焊试验。钎焊在氩气保护气氛的红外炉中进行。采用弯曲试验测定钎焊接头的形状记忆效应。弯曲试样加工成约20mm5mm0.5mm是试板，在77k（液氮）温度下弯至i角，随后加热到不同温度（最高130），i恢复至f，则形状记忆恢复率为（if）/i。以纯铜为钎料，在1150下钎焊Ti50Ni50合金，接头组织由富Cu相、CuNiTi相和Ti（Ni，Cu）相三相组合。其中的富Cu相在钎焊保温的最初10s快速消耗，随后接头中为CuNiTi相和Ti（Ni，Cu）相的共晶混合物。延长钎焊保温时间，接头中CuNiTi相减少，Ti（Ni，Cu）相增加，CuNiTi相的存在破坏接头的形状记忆效应，而Ti（Ni，Cu）相即使含有大量的Cu，仍保持有形状记忆的特性，因此延长钎焊保温时间可改善接头的形状记忆效应。Ti-Ni形状记忆合金的电阻钎焊薛松柏采用Cu-Ni薄带钎料对TI-Ni形状记忆合金的电阻钎焊进行了研究。钎焊的母材成分为（质量分数，%）：T43.58，Ni56.40，Mn0.01，Si0.005，Fe0.005，Cu-Ni钎料成分为（质量分数，%）：Cu55.65，Ni42.20，Mn1.47，Fe0.50，Al0.10，Si0.084，钎剂为25AgCl-25KF-50LiCl（质量分数，%）改进型（加入一定量的AXBY）。研究结果表明，采用氩气保护比无氩气保护接头强度可提高20%，最佳钎焊规范为焊接功率6.75Kw，焊接时间0.1s，焊接压力0.14Mpa。电阻钎焊过程对母材的热影响极小，没有明显的热影响区，形成了连续致密的钎缝，钎缝中发现了对形状记忆效应有益的Ti3Ni4化合物相。最佳规范下电阻钎焊接头的抗拉强度为577Mpa.Ti-Ni形状记忆合金与不锈钢的激光钎焊李明高等人对Ti-Ni形状记忆合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的激光钎焊进行了试验研究。研究的形状记忆合金母材为Ti50.2-Ni49.8（摩尔分数，%），钎料为专门研制的AgCuZnSn钎料丝（0.5mm），其成分为（质量分数，%）52Ag-22Cu-18Zn-8Sn，熔化温度为590630。研究结果表明，研制的AgCuZnSn钎料对Ti-Ni形状记忆合金及不锈钢润湿性良好，采用该钎料的激光钎焊适合于TI-Ni形状记忆合金与不锈钢异质接头的连接。激光输出功率和钎焊保温时间对TI-Ni形状记忆合金热影响区的超弹性和形状记忆效应有明显的影响，激光输出功率和钎焊时间从50W/10s增至70W/20s， 使形状记忆合金母材热影响区的室温残余应变从91.6%降至62.1%，形状记忆合金母材热影响区形状记忆效应的恶化归因于热影响区的粗晶结构。采用AgCuZnSn钎料激光钎焊Ti50.2-Ni49.8形状记忆合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢，接头抗拉强度可达320360Mpa。关于粉末冶金合金的钎焊粉末冶金是当前发展的一种新工艺，其定义概括地说来，就是制取金属或合金粉末（有时也加入少量非金属粉，如THO2，Y2O3等），并将这些粉末装入模具或包套中压制成形（也有不加压的），然后在一定温度下烧结固化，即烧结成金属制品或金属坯的制造工艺。有时加压和加热同时进行，称为热压。这种工艺的优点是能制造熔炼法所得不到或难以得到且具有独特性能优点的制品。如合金成分组织均匀，无宏观偏析，性能稳定，可进一步提高合金化程度，合金晶粒细小，加工性能好，金属利用率高，成本低等。目前已用于高速钢、合金钢、铝合金、钛合金等多种材料结构件的制造。特别是由于航空工业的要求，粉末及机械合金化高温合金获得迅速发展，其质量已能满足飞机发动机转动部件的要求，并用于制造压气机盘、涡轮机盘和涡轮轴套、叶片等部件。与此相对应，粉末冶金合金连接工艺的研究也越来越受到人们的重视，方法有胶接、熔化极气体保护焊、摩擦焊、电子束焊、激光焊等，其中钎焊应用最为广泛。粉末冶金高温合金的钎焊几种典型镍基粉末冶金高温合金的成分列表合金成分（质量分数，%）NiCCrWMoTaNbAlTiVBZrIN100基0.181035.54.710.010.06IN792（PA101）基0.280.020.1Rene95基0.080.010.05从列表中可见粉末合金的的成分基本上仍为同牌号铸造或变形合金的成分，如Rene95、IN100，只不过是适当降低碳含量以适应粉末冶金工艺的要求，因此对其钎焊同高温合金类似。粉末冶金高温合金虽然成分上接近于同牌号高温合金，但毕竟其组织、个别元素含量有所区别，因此钎焊时，有两点应引起人们注意：一是高的钎焊温度会使细晶粒的粉末冶金合金母材在钎焊过程中发生晶粒严重长大，导致中温强度的大幅度下降；另一个问题是粉末冶金合金的超细晶粒，可能会造成在钎焊是硼和硅的反常快速扩散，从而在接头中产生过量的孔洞。当然，快速扩散也有其有利的一面，即可缩短为改善性能而进行的焊后扩散处理时间。粉末冶金高温合金可以在真空或可控气氛中采用金基或镍基钎料钎焊。金基钎料主要用于要求优良的抗氧化及耐腐蚀能力、良好的接头韧性及最小的钎料/母材反应的场合。但金基钎料的高成本使其大量应用受到了限制，更多情况下是采用成本较低的镍基钎料，如BNi-1a，BNi-2，BNi-3，BNi-4，BNi-5（国内对应牌号分别为BNi75CrSiB，BNi82CrSiB，BNi92SiB，BNi93SiB，Bni71CrSi）。镍基钎料在温室下呈脆性，因此通常以粉状、膏状、粘带或非晶态形式使用。双性能涡轮盘的力学性能式样类型拉伸性能持久性能温度/抗拉强度/Mpa伸长率（%）断面收缩率（%）温度/应力/Mpa寿命/h伸长率（%）PA-101/Mar-M-246接头20649881.1886.6649704760816758.3654.9517.1344.7977.2123.8254.856.0母材PA-101206497601472.61315.41087.915.310.311.414.113.015.3643760861.8586.098.469.65.310.0母材MAR-M-246208760871927982723.9413.6268.9220.649.078.7151.640.16