用于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼真空活性釬焊工藝的釬料及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼真空活性釬焊工藝的釬料及方法，屬于釬焊領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002 ] W-Cu復(fù)合材料兼具了 W和Cu的諸多性能，其具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，高的強(qiáng)度和硬度，低的熱膨脹系數(shù)，良好的耐電弧侵蝕性、抗高溫氧化性及抗熔焊性等優(yōu)異特征。廣泛應(yīng)用于能源、國(guó)防工業(yè)、航空航天、以及核工業(yè)等領(lǐng)域，主要涉及炮軌導(dǎo)彈頭、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯、噴嘴和燃?xì)舛娴炔考?，是一種極具有發(fā)展前進(jìn)的高溫復(fù)合材料。不銹鋼具有良好的耐腐蝕、耐熱性和較好的力學(xué)性能，適于制造要求耐腐蝕、抗氧化、耐高溫和超低溫的零部件及設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其焊接性具有特殊性。在實(shí)際使用過程中，W-Cu復(fù)合材料常會(huì)出現(xiàn)高溫抗氧化性差、低溫韌性不足等問題，無法滿足在高溫及腐蝕環(huán)境中的持久使用，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的使用壽命和正常運(yùn)作。為了進(jìn)一步發(fā)揮W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼的優(yōu)越性能，彌補(bǔ)其弱勢(shì)缺陷;W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼連接成復(fù)合件，既可以充分發(fā)揮W-Cu復(fù)合材料的優(yōu)良特征，又能展現(xiàn)不銹鋼的優(yōu)異性能，提高了連接構(gòu)件的整體性能，具有重大的實(shí)用價(jià)值。
[0003]W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼連接時(shí)，其物理化學(xué)性能差異較大，嚴(yán)重影響兩者的性能。而且W-Cu復(fù)合材料對(duì)氣體雜質(zhì)敏感性較大，以及易出現(xiàn)脆化物相和微孔，嚴(yán)重影響接頭的氣密性及承載能力。W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼焊接時(shí)，循環(huán)熱載荷對(duì)W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼復(fù)合件產(chǎn)生不良影響，易出現(xiàn)焊合區(qū)晶粒粗大、組織脆化、殘余應(yīng)力、氣體雜質(zhì)污染和應(yīng)力集中等現(xiàn)象，接頭斷裂傾向增大，焊縫金屬力學(xué)性能降低。而組織結(jié)構(gòu)變化和應(yīng)力集中等問題是W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼焊接面臨的重要問題。因此，以W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼的連接技術(shù)來制備復(fù)合件的方式迫在眉急。
[0004]對(duì)于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼的連接而言，釬焊特別是真空活性釬焊技術(shù)適合性更好。同時(shí)采用一種性能優(yōu)良和性價(jià)比高的填充材料，制定合理的焊接工藝是實(shí)現(xiàn)W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼異種材料連接的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼真空活性釬焊工藝的釬料及方法，釬料對(duì)W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼具有良好的潤(rùn)滑性，熔化溫度較低，釬料熔化均勻。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種用于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼真空活性釬焊工藝的釬料，所選釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括:Cu25%?33%，Til.0%—3.5%，Ni3.0%?5.0%，Zrl.0%?2.2%，Μη3.5%?7.0%，余量為Ag。
[0007]作為優(yōu)選，所述釬焊用料由以下重量百分比的組分組成:Cu27 %?33 %，Ti 1.0 %—3.0%，Ni3.5%?4.5%，Zrl.2%?1.8%，Μη4.0%?6.0%，余量為Ag。
[0008]作為優(yōu)選，所述釬料各組分質(zhì)量百分比含量如下:(:1130%，1^2.0%，則4.0%，Zrl.5% ,Mn5.0%，余量為Ag。
[0009]作為優(yōu)選，所述釬料為箔帶狀，厚度為100?150μπι。
[0010]—種W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼的真空活性釬焊方法，包括以下步驟:
[0011 ] (I)準(zhǔn)備階段:對(duì)待釬焊的W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼試樣截面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W3.5號(hào)金相砂紙進(jìn)行研磨光滑并具有一定的粗糙度，將W-Cu復(fù)合材料、不銹鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗10?15min，并進(jìn)行烘干處理待用；
[0012](2)裝配階段:將清洗烘干后的釬料箔片置于不銹鋼和W-Cu復(fù)合材料待焊表面之間，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0.02?0.04MPa的恒定垂直壓力；
[0013](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5X10_3Pa的釬焊設(shè)備中，首先以15?20°C/min的速率升溫至300?350°C，保溫10?15min，再以8?12°C/min的速率升溫至600?650°C，保溫時(shí)間15?20min，再以4?6°C/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度810?860°C，保溫時(shí)間15?45min，再以4?6°C/min的速率冷卻至600?650°C，通入氬氣快速冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0014]本發(fā)明釬料的釬料熔化溫度較低，釬料熔化均勻；利用活性元素(Ag、Cu、T1、N1、Zr)較強(qiáng)的擴(kuò)散能力和界面反應(yīng)能力，活性元素分布均勻，接頭晶粒細(xì)密以及殘余應(yīng)力小，接頭的整體強(qiáng)度高，塑性變形能力強(qiáng);提高了釬料與W-Cu復(fù)合材料不銹鋼的固溶冶金反應(yīng)；采用本發(fā)明的真空活性釬焊工藝，通過真空活性釬焊連接以及活性元素的擴(kuò)散作用，焊件在加熱過程中處于真空狀態(tài)中，焊件無變形和晶粒粗化的現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)氧化、污染等問題;利用真空活性釬焊工藝穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單、方便快捷，可重復(fù)再現(xiàn)，真空活性釬焊過程無須添加釬劑以及保護(hù)措施，便于推廣與應(yīng)用，接頭潤(rùn)濕鋪展性較好，釬料充分填充釬縫，提高了接頭的綜合性能，可獲得性能優(yōu)異的釬焊接頭。
[0015]—種用于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼的活性釬料，加入一定量的Mn元素適當(dāng)?shù)慕档土蒜F料的熔化溫度，促進(jìn)了釬焊接頭固溶反應(yīng)以及界面的結(jié)合能力，有利于增加焊接街頭的強(qiáng)度和韌性，則Mn的加入以4.0 %?6.0 %為宜，含量過低降熔效果不明顯，過高則使熔融釬料潤(rùn)濕性能降低，不利于釬料的流動(dòng)和鋪張;加入適量的Zr元素促進(jìn)了與W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼的冶金反應(yīng)，有利于細(xì)化晶粒和提高釬料的高溫性能;Ni的添加促進(jìn)了釬料的潤(rùn)濕性以及接頭強(qiáng)度，同時(shí)提高了抗氧化性和耐蝕性;適量Ti有利于細(xì)化晶粒和固溶強(qiáng)化，降低接頭的彈性模量，緩解接頭的殘余應(yīng)力，提高釬料合金的強(qiáng)度;大量的Ag、Cu促進(jìn)釬料合金元素的擴(kuò)散和反應(yīng)，有利于促進(jìn)與W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼界面的固溶冶金反應(yīng)，提高接頭的塑性和強(qiáng)度;利用活性元素(Ag、Cu、T1、N1、Zr)作為填充釬料以及采用真空活性釬焊工藝提高了連接接頭的綜合性能以及整體結(jié)構(gòu)的使用性能。
[0016]有益效果:本發(fā)明的釬料對(duì)W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼具有良好的潤(rùn)滑性，熔化溫度較低，釬料熔化均勻;采用本發(fā)明釬料連接W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼的真空活性釬焊工藝穩(wěn)定可靠;真空條件下，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，整個(gè)構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，利用活性元素(Ag、Cu、T1、N1、Zr)具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力和界面反應(yīng)能力，活性元素分布均勻，晶粒細(xì)密以及殘余應(yīng)力小，接頭的整體強(qiáng)度高，塑性變形能力強(qiáng);操作簡(jiǎn)單、方便快捷，可重復(fù)再現(xiàn)，真空活性釬焊過程無須添加釬劑以及保護(hù)措施，便于推廣與應(yīng)用。
【附圖說明】
[0017]圖1為【具體實(shí)施方式】I?3的真空活性釬焊工藝曲線；
[0018]圖2為具體實(shí)施2得到的釬焊接頭的掃描電鏡照片；
[0019]圖3為具體實(shí)施2得到的釬焊接頭的彎曲斷口微觀形貌照片；
[0020]圖4為具體實(shí)施2得到的釬焊接頭的不同放大倍數(shù)的彎曲斷口微觀形貌照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
[0022]W-Cu復(fù)合材料(W55Cu45，wt%)與lCrl8Ni9不銹鋼對(duì)接接頭真空活性釬焊:W-Cu復(fù)合材料和不銹鋼試樣尺寸均為20mmX 20mmX 5mm，待奸焊面為20mmX 5mm截面。
[0023]釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為:0133%、111.0%、祖5%、2^.0%、1117.0%，余量為Ag，釬料箔片厚度為150μπι。
[0024]釬焊工藝如圖1所示，具體步驟為:
[0025](I)準(zhǔn)備階段:對(duì)待釬焊的W-Cu復(fù)合材料和lCrl8Ni9不銹鋼試樣截面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W3.5號(hào)金相砂紙進(jìn)行研磨光滑并具有一定的粗糙度，將W-Cu復(fù)合材料、不銹鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗1min，并進(jìn)行烘干處理待用；
[0026](2)裝配階段:將清洗烘干后的釬料箔片置于不銹鋼和W-Cu復(fù)合材料待焊表面之間，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0.04MPa的恒定垂直壓力；
[0027](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5X10_3Pa的釬焊設(shè)備中，首先以20°C/min的速率升溫至300°C，保溫lOmin，再以12°C/min的速率升溫至650°C，保溫時(shí)間15min，再以6 °C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度810°C,保溫時(shí)間45min，再以4 °C /min的速率冷卻至650°C，通入氬氣快速冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0028]結(jié)果:釬焊獲得的W-Cu復(fù)合材料與lCrl8M9不銹鋼接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，無裂紋、氣孔和夾雜等缺陷生成，合金成分分布均勻，室溫四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為584MPa，斷口形貌為延性斷裂特征。
[0029]實(shí)施例2:
[0030]W-Cu復(fù)合材料(W55Cu45，