本發(fā)明涉及釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料及制備和釬焊方法，屬于釬焊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁陶瓷具有獨特的強度、耐磨性、耐蝕性和絕緣性,已被廣泛的應(yīng)用到工業(yè)的很多領(lǐng)域。但氧化鋁陶瓷脆性大,機加工性能差,也難以制作大或者復(fù)雜的構(gòu)件,因此,需要利用焊接技術(shù)將尺寸小、形狀簡單的陶瓷金屬焊接，形成大而復(fù)雜的構(gòu)件,以滿足工程實際應(yīng)用的需要。
國內(nèi)外已有對氧化鋁陶瓷和304不銹鋼的釬焊工藝，形成的焊接接頭能符合工程需要，但是對3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬焊尚無研究，為了在較低釬焊溫度下焊接氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼，需要在以往的技術(shù)上做出重大技術(shù)突破。
自從3D打印技術(shù)誕生以來，各國都開展研究，尤其是其激光器研究，已經(jīng)取得了很多比較理想的成果。其原理是先利用CAD軟件制出零件圖，然后利用切片分層的專用軟件對CAD圖進行處理，將三維立體圖轉(zhuǎn)化成一層一層的二維平面圖，這樣就可以根據(jù)大小、形狀確定掃描路徑，然后編入掃描程序，然后同步送粉，激光掃描。因為激光掃描過后，粉末的熔化與凝固基本是瞬間完成，固不需等待，可立即進行下一步驟。即根據(jù)掃描線高度下調(diào)工作臺，保證激光的光斑處于同一聚焦?fàn)顟B(tài)，再鋪粉，激光掃描，重復(fù)上述步驟，層層堆積直到完成三維零件。3D打印不銹鋼是3D打印技術(shù)中的熱門，它大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，產(chǎn)生一些相比其他生產(chǎn)工藝不太常見的細小組織，而且凝固過程類似鑄造過程，零件致密，使其加工得到的零件有很好的力學(xué)性能及機械性能，與鑄件和鍛件相當(dāng)甚至更好，與此同時還有較強的耐腐蝕性。加工過程中所使用的粉末，可以收集起來，經(jīng)過篩處理后重復(fù)使用，節(jié)約材料。3D打印可以生產(chǎn)外形復(fù)雜的產(chǎn)品。
但是，3D打印不銹鋼致密度很難達到百分之百，材料表面會產(chǎn)生孔隙，影響致密性，在焊接過程中會影響接頭質(zhì)量，嚴重降低焊接接頭的力學(xué)和機械性能，進而影響其實用性。所以，釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷就有較困難，需要的釬料有極佳的潤濕鋪展能力，要求釬焊過后的界面均勻平整。以往的不銹鋼和陶瓷釬焊溫度都達到850℃，而3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷釬焊溫度不宜過高，過高會使得3D打印不銹鋼產(chǎn)生壓力變形，嚴重影響焊接接頭的性能。
目前國內(nèi)外尚無專門釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料，國外已有的一種釬焊陶瓷和304不銹鋼的釬料，其牌號為IncusilABA，該釬料具有較低的液相線溫度，釬焊溫度可以控制在750℃～800℃，釬焊溫度在800℃左右，但是其中Ti、In含量較低，潤濕性不是非常理想；中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院在此基礎(chǔ)上研制了一種銀-銅-銦-鈦中溫釬焊料，其專利申請?zhí)柺?01510920495.4，這種釬料用于二氧化硅陶瓷和鎢、鉬等金屬的釬焊，這種中溫釬料緩解了陶瓷與金屬異種材料接頭中由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不匹配造成的熱應(yīng)力，但是無法應(yīng)用于3D打印不銹鋼和陶瓷的釬焊，其潤濕性沒有明顯改善，無法完全填充3D打印不銹鋼的孔隙，焊接接頭質(zhì)量無法保證。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料及制備和釬焊方法，加入混合稀土元素Sm、Er，顯著提高了釬料的潤濕性，控制界面化合物的厚度，顯著改善接頭力學(xué)性能。
技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括：Cu20.0％～25.0％，In13.0％～16.0％，Ti2.0％～5.0％，Sm0.02％～0.2％，Er0.01％～0.1％，余量為Ag。
作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括：Cu21.5％～23.5％，In13.5％～15.0％，Ti2.5％～4.0％，Sm0.05％～0.1％，Er0.01％～0.05％，余量為Ag。
作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括：Cu22.7％，In14.5％，Ti3.6％，Sm0.05％，Er0.05％，余量為Ag。
作為優(yōu)選，所述釬料為箔片帶狀，厚度為50～100μm。
一種上述的釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Er顆粒、Sm顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15-25℃的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
作為優(yōu)選，所述步驟4)中噴嘴呈長方形，其長度為8～10mm，寬度為0.8～1.2mm。
作為優(yōu)選，所述步驟6)中銅輥直徑為250mm，銅輥寬度為50mm。
一種上述的釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬焊方法，包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至760℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
本發(fā)明在釬焊材料中添加元素Cu，可以改善釬料的微觀組織,釬料的熔化溫度略微降低，改善在氧化鋁陶瓷表面上的潤濕性，顯著提高接頭強度。
添加元素Ti顯著提升接頭的高溫耐熱和耐蝕性，增強其高溫性能的同時改善釬料的潤濕性。
添加元素In，可以顯著降低釬料的熔點，降低釬料液態(tài)時的表面張力，有利于改善潤濕性。
為了解決3D打印不銹鋼材料表面的孔隙問題：
添加稀土元素Sm，可以改善釬料的不足：降低釬料熔點，稀土為表面活性元素，適量的稀土可以改善液態(tài)釬料的表面張力改善潤濕性，使得界面化合物平整均勻，同時提供接頭強度。
添加元素Er，可以和稀土元素Sm相配合，降低釬料熔點，防止元素偏析，降低界面化合物的總厚度生長速率，提高接頭的剪切強度。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明的顯著優(yōu)點為該釬料的流動性好，對母材潤濕性好，且與3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的結(jié)合性能佳，剪切強度高，能夠有效減小釬焊時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；本發(fā)明釬料的釬焊溫度在760℃左右，釬料熔化溫度比以往的釬焊陶瓷與普通不銹鋼的熔化溫度下降許多，釬料熔化均勻；尤其是加入混合稀土元素Sm、Er，顯著提高了釬料的潤濕性，控制界面化合物的厚度，顯著改善接頭力學(xué)性能。
(2)采用本發(fā)明的釬料連接工藝穩(wěn)定可靠，利用真空釬焊連接，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，整個構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤濕鋪展較好，釬料與基體母材充分形成固溶冶金反應(yīng)，組織細粒，充分填充釬縫，提高了接頭的整體強度，以及擁有良好的塑性變形能力，因而能獲得更為穩(wěn)定可靠的連接接頭；
(3)本發(fā)明獲得的釬料制備方法和釬焊工藝簡單，實施方便快捷，釬料的制備以及釬焊工藝可重復(fù)再現(xiàn)，真空釬焊過程無須添加釬劑以及保護措施，便于廣泛的推廣與應(yīng)用。
具體實施方式
實施例1
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：21.0％，In13.5％，Ti2.0％，Sm0.02％，Er0.01％，余量為Ag。
上述一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料制備方法包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Er顆粒、Sm顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬焊工藝，包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至760℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為161MPa。
實施例2
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：23.0％，In15.0％，Ti4.0％，Sm0.1％，Er0.05％，余量為Ag。
上述一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Er顆粒、Sm顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬焊工藝，包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至760℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為166MPa。
實施例3
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：22.7％，In14.5％，Ti3.6％，Sm0.05％，Er0.05％，余量為Ag。
上述一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Er顆粒、Sm顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa左右，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬焊工藝，包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和3D打印不銹鋼待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至760℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為178MPa。
實施例4
設(shè)計5組對比例，基本步驟與實施例3相同，不同之處在于原料含量不同，具體為：
對比例1的組分含量：Cu22.5％，In17.0％，Ti3.5％，Sm0.05％，Er0.05％，余量為Ag。
對比例2的組分含量：Cu22.7％，In14.5％，Ti3.6％，Sm0.1％，Er0.1％，余量為Ag。
對比例3的組分含量：Cu22.7％，In14.5％，Ti3.6％，Sm0.2％，Er0.1％，余量為Ag。
對比例4的組分含量：Cu22.5％，In17.0％，Ti3.5％，Er0.05％，余量為Ag。
對比例5的組分含量：Cu22.5％，In17.0％，Ti3.5％，Sm0.05％，余量為Ag。
將實施例1-4制得的焊接接頭進行性能檢測，獲得的試驗結(jié)果如表1所示。
表1
由表1可知，實施例1-3制得的釬焊接頭微觀結(jié)構(gòu)致密，均勻分布，連接界面明顯，剪切強度在161～178MPa之間，由此可知本發(fā)明釬焊3D打印不銹鋼和氧化鋁陶瓷的釬料具備良好的附著力和潤濕性能，且釬焊接頭結(jié)合強度高。
對比試驗1表明，元素In雖然有利于降低釬料熔化溫度，但是過多的In會產(chǎn)生催化相導(dǎo)致接頭剪切強度下降。對比試驗2表明，當(dāng)稀土元素Sm到達一定值之后，再增加Er好含量會導(dǎo)致釬料的潤濕性下降，過多的稀土?xí)趸稍璧K釬料的潤濕。對比試驗3表明，稀土元素不可過多添加，Sm含量不可超過0.1％，過量的稀土?xí)黾逾F料的粘度，潤濕性嚴重下降，接頭性能也顯著下降；對比試驗4表明：只添加稀土元素Er，不添加稀土元素Sm，接頭性能較實施例3明顯下降，稀土Sm有較強的改善釬料潤濕性的作用，缺少Sm的潤濕作用，界面化合物生長不均勻，導(dǎo)致接頭性能下降；對比試驗5表明:只添加稀土元素Sm，不添加稀土元素Er，接頭性能較實施例3明顯下降，稀土Er原子半徑較大，可以防止元素的偏析，和其他稀土元素配合在一起可以進一步降低釬料的熔點，同時改善釬料的潤濕性，所以缺少稀土元素Er，釬料的偏析難以控制，接頭性能下降。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。