本發(fā)明涉及改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法。
背景技術：
TC4(Ti-6Al-4V)于1954年首先研制成功，現在已經發(fā)展成為世界各國通用的欽合金。作為一種廣泛用于航空航天的鈦合金材料，它屬于α+β型兩相鈦合金，具有優(yōu)異的綜合性能，易于焊接、鍛造和切削加工，通過熱處理后可使其抗拉強度高達1173MPa。此外它還具有很好的室溫強度和高溫耐熱性能，主要用于制作飛機的蒙皮、壓氣機盤、葉片及航天發(fā)動機用燃料儲存罐等重要的受力復雜的零部件。作為目前應用最廣泛的一種α+β型鈦合金，由于具有較高強度及較好的塑性，在新型殲擊機中鈦合金用量增加到40％，TC4的大量應用對提高發(fā)動機的推重比，提高飛機的飛行速度和戰(zhàn)斗特性都起到了特別重要的作用。
然而在航天航空等領域，還需要材料具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、優(yōu)異的透波性能、較小的介電常數和介電損耗、高的化學穩(wěn)定性等以獲得防熱、承載和透波等功能，TC4并不能完全滿足要求，因此，常常需將TC4與具有上述性能的陶瓷連接在一起使用。
釬焊是一種廣泛用于連接陶瓷與金屬材料的方法，其具有變形小、可靠性高的優(yōu)點。然而陶瓷與TC4合金釬焊接頭的力學性能并不理想，主要是因為從TC4側擴散溶解的過多活性Ti在焊縫處形成塊狀、分散不均勻的脆性界面化合物，影響接頭焊接質量，并且陶瓷與TC4合金熱膨脹系數的顯著差異，導致釬焊接頭存在明顯的殘余應力，降低接頭力學性能。因此，控制Ti元素的擴散，改善焊縫產物及其分布，并減小接頭的殘余應力是改善陶瓷與TC4合金釬焊性能亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發(fā)明要解決現有TC4釬焊過程中陶瓷側極易生成連續(xù)的脆性化合物反應層，以及因陶瓷與TC4熱脹系數相差大而導致接頭殘余應力較大，造成接頭力學性能差的問題，而提供一種添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法。
一種添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法是按照以下步驟進行的：
一、將鈦合金TC4與釬料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂紙打磨，然后用丙酮超聲預處理10min～20min，得到去除表面雜質的鈦合金TC4和去除表面雜質的釬料箔片；將陶瓷用800目砂紙打磨并用丙酮超聲預處理10min～20min，得到去除表面雜質的陶瓷；
二、將泡沫銅用丙酮超聲預處理10min～20min，得到去除表面雜質的泡沫銅；
三、將去除表面雜質的鈦合金TC4、去除表面雜質的釬料箔片、去除表面雜質的泡沫銅、去除表面雜質的釬料箔片及去除表面雜質的陶瓷依次疊放，得到待焊件，將待焊件置于真空釬焊爐中，在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為800℃～1200℃的條件下，保溫1min～20min，然后以降溫速度為2℃/min～10℃/min，將溫度由800℃～1200℃冷卻至室溫，即完成添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法。
本發(fā)明一種添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法基本原理：泡沫Cu由于獨特的三維結構可以優(yōu)化在焊縫形成的界面化合物的分布；泡沫Cu可以消耗來自TC4的Ti，有效抑制陶瓷和Ti元素發(fā)生的反應在陶瓷側形成連續(xù)的脆性化合物；在釬焊過程中生成的原位細小的Ti-Cu金屬間化合物，呈彌散分布，有著顯著的強化作用，其可以緩解接頭殘余應力以及在接頭中形成良好的應力過渡。
本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明通過Cu元素的加入，有效抑制陶瓷與Ti反應在陶瓷側形成連續(xù)脆性化合物，加入的Cu與Ti形成Ti-Cu金屬間化合物，可顯著改善焊縫處生成的反應產物。
2、本發(fā)明通過泡沫Cu的三維結構，促進元素的擴散，使焊縫處的反應產物均勻彌散分布，可有效緩解焊縫處的殘余應力，顯著提高釬焊接頭的力學性能。
3、本發(fā)明的方法只簡單地加入泡沫銅中間層，操作簡單，高效，低成本，便于工業(yè)化生產，在TC4與陶瓷釬焊領域具有良好的應用前景。
本發(fā)明用于一種添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法。
附圖說明
圖1為實施例一制備的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷釬焊接頭的掃描電鏡圖。
具體實施方式
本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式，還包括各具體實施方式之間的任意組合。
具體實施方式一：本實施方式所述的一種添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法是按照以下步驟進行的：
一、將鈦合金TC4與釬料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂紙打磨，然后用丙酮超聲預處理10min～20min，得到去除表面雜質的鈦合金TC4和去除表面雜質的釬料箔片；將陶瓷用800目砂紙打磨并用丙酮超聲預處理10min～20min，得到去除表面雜質的陶瓷；
二、將泡沫銅用丙酮超聲預處理10min～20min，得到去除表面雜質的泡沫銅；
三、將去除表面雜質的鈦合金TC4、去除表面雜質的釬料箔片、去除表面雜質的泡沫銅、去除表面雜質的釬料箔片及去除表面雜質的陶瓷依次疊放，得到待焊件，將待焊件置于真空釬焊爐中，在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為800℃～1200℃的條件下，保溫1min～20min，然后以降溫速度為2℃/min～10℃/min，將溫度由800℃～1200℃冷卻至室溫，即完成添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法。
本實施方式泡沫銅作為中間層，因其銅元素的加入，改變了釬焊過程中銅元素的比例，從而促進了Ti元素與Cu元素的結合，消耗Ti元素從而減少脆性Ti化合物的生成。由于泡沫銅具有三維中空結構，可使焊縫生成產物分布更均勻，且能夠有效減緩接頭殘余應力。從而獲得高質量的釬焊接頭。
本實施方式的有益效果是：1、本實施方式通過Cu元素的加入，有效抑制陶瓷與Ti反應在陶瓷側形成連續(xù)脆性化合物，加入的Cu與Ti形成Ti-Cu金屬間化合物，可顯著改善焊縫處生成的反應產物。
2、本實施方式通過泡沫Cu的三維結構，促進元素的擴散，使焊縫處的反應產物均勻彌散分布，可有效緩解焊縫處的殘余應力，顯著提高釬焊接頭的力學性能。
3、本實施方式的方法只簡單地加入泡沫銅中間層，操作簡單，高效，低成本，便于工業(yè)化生產，在TC4與陶瓷釬焊領域具有良好的應用前景。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟一中所述的陶瓷為SiO2f/SiO2復合陶瓷、Cf/C陶瓷、Cf/SiC陶瓷、SiO2-BN復合陶瓷、SiC陶瓷或Al2O3陶瓷。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同的是：步驟一中所述的釬料箔片為AgCuTi釬料箔片、AgCu釬料箔片、TiCu釬料箔片、CuTi釬料箔片、CuNi釬料箔片、TiNiNb釬料箔片或TiCuNiZr釬料箔片。其它與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：步驟二中所述的泡沫銅厚度為20μm～50μm。其它與具體實施方式一至三相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：步驟三中在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為860℃～900℃的條件下，保溫1min～20min。其它與具體實施方式一至四相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：步驟三中在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為800℃～1200℃的條件下，保溫5min～10min。其它與具體實施方式一至五相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：步驟三中然后以降溫速度為2℃/min～5℃/min，將溫度由800℃～1200℃冷卻至室溫。其它與具體實施方式一至六相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：步驟三中在壓強為2×10-3Pa及溫度為910℃的條件下，保溫9min。其它與具體實施方式一至七相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是：步驟三中然后以降溫速度為5℃/min，將溫度由910℃冷卻至室溫。其它與具體實施方式一至八相同。
具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式一至九之一不同的是：步驟二中所述的泡沫銅厚度為30μm。其它與具體實施方式一至九相同。
具體實施方式十一：本實施方式與具體實施方式一至十之一不同的是：步驟三中在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為860℃的條件下，保溫1min～20min。其它與具體實施方式一至十相同。
具體實施方式十二：本實施方式與具體實施方式一至十一之一不同的是：步驟三中在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為900℃的條件下，保溫1min～20min。其它與具體實施方式一至十一相同。
具體實施方式十三：本實施方式與具體實施方式一至十二之一不同的是：步驟三中在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為800℃～1200℃的條件下，保溫5min。其它與具體實施方式一至十二相同。
具體實施方式十四：本實施方式與具體實施方式一至十三之一不同的是：步驟三中在壓強為1×10-4Pa～5×10-3Pa及溫度為800℃～1200℃的條件下，保溫10min。其它與具體實施方式一至十三相同。
具體實施方式十五：本實施方式與具體實施方式一至十四之一不同的是：步驟三中然后以降溫速度為2℃/min，將溫度由800℃～1200℃冷卻至室溫。其它與具體實施方式一至十四相同。
具體實施方式十六：本實施方式與具體實施方式一至十五之一不同的是：步驟三中然后以降溫速度為10℃/min，將溫度由800℃～1200℃冷卻至室溫。其它與具體實施方式一至十五相同。
采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
實施例一：
本實施例所述的一種添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法是按照以下步驟進行的：
一、將鈦合金TC4與釬料箔片依次用200目、400目、600目及800目砂紙打磨，然后用丙酮超聲預處理15min，得到去除表面雜質的鈦合金TC4和去除表面雜質的釬料箔片；將陶瓷用800目砂紙打磨并用丙酮超聲預處理15min，得到去除表面雜質的陶瓷；
所述的鈦合金TC4尺寸為20mm×12mm×5mm；所述的釬料箔片尺寸為5mm×5mm；所述的陶瓷尺寸為5mm×5mm×4mm；
二、將泡沫銅用丙酮超聲預處理15min，得到去除表面雜質的泡沫銅；
所述的泡沫銅厚度為30μm；
三、將去除表面雜質的鈦合金TC4、去除表面雜質的釬料箔片、去除表面雜質的泡沫銅、去除表面雜質的釬料箔片及去除表面雜質的陶瓷依次疊放，得到待焊件，將待焊件置于真空釬焊爐中，在壓強為2×10-3Pa及溫度為910℃的條件下，保溫9min，然后以降溫速度為5℃/min，將溫度由910℃冷卻至室溫，得到TC4-SiO2f/SiO2陶瓷釬焊接頭，即完成添加泡沫銅中間層改善TC4與陶瓷釬焊性能的方法；
步驟一中所述的陶瓷為SiO2f/SiO2復合陶瓷；
步驟一中所述的釬料箔片為AgCuTi釬料箔片。
圖1為實施例一制備的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷釬焊接頭的掃描電鏡圖；由圖可知，本實施例制備的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷釬焊接頭結構致密，沒有孔洞及裂紋缺陷，且對實施例一制備的TC4-SiO2f/SiO2陶瓷釬焊接頭進行測試，抗剪強度為43.2MPa。