形状记忆合金、粉末冶金合金的钎焊

1、 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

2、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

3、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-N

4、i 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

5、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

6、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 Ni 3Ti 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 20mm ×5mm &

7、#215;0.5mm 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(i f /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

8、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 A X B Y 。研究结果表

9、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 Ti 3Ni 4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

10、.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

11、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 THO 2, Y 2O 3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

12、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。 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

13、,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。 美国底特律