一种Ti‑Zr‑Cu‑Co‑M系合金钎料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Ti‑Zr‑Cu‑Co‑M系合金钎料及其制备方法，钎料成分为15～55的Zr、1～20的Cu、1～20的Co、0.01～15的M和余量为Ti。M为主族或过渡族金属元素，优选M为V、Al和/或Sn元素。通过熔体旋淬法制得厚度为20～60μm连续、柔韧性良好的合金钎料薄带。应用本发明专利技术钎料进行钛合金钎焊，其钎焊接头的剪切强度为200～600MPa，其中，TC4合金钎焊接头的剪切强度可高达547MPa。与现有钛基钎料和钛锆基钎料相比，本发明专利技术所涉及的Ti‑Zr‑Cu‑Co‑M系新型高性能合金钎料具有熔点低、钎焊接头性能好、可靠性高、适用范围广等优点。

A Ti Zr Cu Co M alloy solder and its preparation method

The invention discloses a Ti Zr Cu Co M alloy solder and its preparation method, filler composition for 15~55 Zr, 1~20 Cu, 1~20 Co, 0.01 ~ 15 M and the rest is Ti. M is the dominant or transition metal element, and M is preferred to V, Al and / or Sn elements. The alloy brazing strip with a thickness of 20~60 mu m and good flexibility was obtained by the melt spinning method. The brazing joint of the titanium alloy is brazed with the brazing joint. The shearing strength of the brazed joint is 200 ~ 600MPa, and the shear strength of the TC4 alloy brazing joint can be as high as 547MPa. Compared with the existing base metal and titanium zirconium based filler, Ti Zr Cu Co M is a new type of high performance alloy solder of the invention has low melting point and the brazing joint good performance, high reliability, wide application range etc..

【技术实现步骤摘要】
一种Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料及其制备方法
本专利技术属于钛合金材料领域，具体公开了一种Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料及其制备方法。
技术介绍
钎焊作为一种重要的材料精密连接方法，与其他焊接方法相比具有明显的优势。钛合金作为一种轻质材料，因其优异的综合性能被广泛应用于航空航天领域。对于结构复杂的钛合金构件，绝大部分需要依靠钎焊来完成连接，而在钎焊钛合金中，钛基合金钎料由于其钎焊接头强度高、活性高、耐蚀性好而被作为首选钎料。但是，为了保证α+β型钛合金的性能，相应的钎焊温度需低于其β转变温度，Cu、Ni与Ti均可形成低熔点共晶，因此作为主要的降熔元素被较多地加入到钛基合金钎料中，钎焊后易生成Ti-Cu、Ti-Ni等脆性化合物相，降低钎焊接头的性能。因此，开发一种无Ni的Ti-Zr-Cu-Co-M系新型高性能合金钎料，对于航空航天等尖端工业领域的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无Ni，同时具有适当熔化温度区间，良好的成带性，钎焊接头性能好、可靠性高，适用范围广的新型Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料。本专利技术是一种无Ni的新型Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料。与现有钛基钎料相比，添加了与钛合金具有良好相容性的V、Al元素，同时无Ni杜绝了Ti-Ni脆性相的生成，以及减少了Ti-Cu脆性相的析出，从而提高了钎焊接头的力学性能。并且该钎料可制备为连续、柔韧的非晶或非晶/纳米晶结构薄带，适用于精密零件的焊接。本专利技术中合金元素的主要作用：一是降低钎料液相线温度；二是提高钎焊接头的综合性能。其中，各合金元素的主要作用如下：Zr与Ti无限固溶，加入Ti中不会产生脆性相，允许加入量较多；而且Zr在钛合金中呈中性，对钛合金α/β转变温度影响小；此外，Ti中加入50wt％Zr时熔点会出现一个极小值，同时Zr与Cu形成共晶，有望获得低熔点的钛基钎料。Cu与Ti和Zr形成共晶而获得低熔点的合金钎料，同时Cu元素可以提高钎料的润湿性、熔化后的流动性。Co元素是可以降低共析转变速度的β稳定元素，减少脆性相危害，有利于提高钎焊接头的强度。V、Al均与钛合金母材有较好的相容性。而且V在β-Ti中可以无限固溶，减少接头脆性相的析出，有利于钎焊接头综合性能(如剪切强度、冲击韧性等力学性能)的提高。Sn与Ti可以形成低熔共晶并且不会形成高熔点的化合物，因此有望获得较低的液相线温度。本专利技术是一种Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料，钎料按原子百分比成分为15～55的Zr、1～20的Cu、1～20的Co、0.01～15的主族或过渡族金属元素M和余量为Ti，所述M为V、Al和/或Sn元素。所述Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料添加了与钛合金母材相容性较好的V、Al，且V在β-Ti中可以无限固溶，减少接头脆性相的析出，有利于钎焊接头力学性能的提高。本专利技术制备一种Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料的方法，其具体步骤如下：步骤一，称取各元素单质依据目标成分原子百分比为15～55的Zr，1～20的Cu，1～20的Co，0.01～15的主族或过渡族金属元素M，所述M为V、Al和/或Sn元素，余量为Ti，称取相应质量的金属单质原料进行配料；步骤二，熔炼制备母合金将步骤一称取的金属单质原料放入真空电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa～8×10-3Pa，充入高纯氩气作为保护气；采用电弧加热的方式反复熔炼至少4遍以确保母合金成分均匀，熔炼电流为150～200A，待合金随炉冷却后取出母合金，制备完成；步骤三，熔体旋淬法制备合金钎料薄带将步骤二制得的母合金机械破碎成小块后适量预置于石英管中，并整体置于液体急冷凝固设备中，调节石英管底端与铜轮表面距离1.5～4mm；抽真空，使液体急冷凝固设备腔体内的真空度为8×10-2Pa～1×10-1Pa，然后充入氩气作为保护气；调节液体急冷凝固设备的铜轮转速20～45m/s，喷射压力0.02～0.04MPa，线圈感应电流9～12A，其中喷射气体为氩气。采用感应加热的方式加热石英管中的合金，待合金完全融化并在液面出现波动后喷铸，在喷射气体的作用下将溶液从石英管管口喷出，喷射到高速旋转的铜轮上，得到连续、柔韧和表面质量优良的合金薄带。通过上述制备方法所得到的合金薄带厚度为20～60μm，并且连续、薄带边缘平整、表面质量优良、柔韧性良好。同时，合金薄带具有非晶或非晶/纳米晶结构。与现有技术相比，本专利技术的Ti-Zr-Cu-Co-M系新型高性能合金钎料的优点在于：①V、Al均与钛合金母材有较好的相容性。而且V在β-Ti中可以无限固溶，减少接头脆性相的析出，有利于钛合金钎焊接头力学性能(如剪切强度)的提高，如图6和图10。Sn与Ti可以形成低熔共晶并且不会形成高熔点的化合物，因此有望获得较低的液相线温度。②本专利技术的合金钎料无Ni，有利于钎焊接头中脆性金属间化合物的减少，钎焊接头力学性能的提高。虽然Cu、Ni含量低，但是仍具有较低的液相线温度，如图4，可用于较低的钎焊温度，有效避免钎焊过程中对母材性能的损伤。③依据本专利技术中成分，通过熔体旋淬技术制备的急冷态薄带为非晶或非晶/纳米晶结构，表面质量良好，厚度均匀，柔韧性好。以此扩大成分设计思路，不局限于非晶薄带的制备，而添加对接头性能有益的元素，改善钎焊接头的性能。附图说明图1A为本专利技术实施例1中制得的Ti50Zr30Cu6Co11V3合金钎料的外观照片。图1B为本专利技术实施例1中制得的Ti50Zr30Cu6Co11V3合金钎料经180度对折后展开的照片。图2为本专利技术实施例1中合金钎料的X射线衍射图谱。图3为本专利技术实施例1中合金钎料的透射电镜照片。图4为本专利技术实施例1中合金钎料的DSC曲线。图5为本专利技术实施例1中采用Ti50Zr30Cu6Co11V3合金钎料在930℃/15min的钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头的背散射电子像。图6为本专利技术实施例1中930℃下TC4/Ti50Zr30Cu6Co11V3/TC4接头的室温拉伸应力-位移曲线。图7为本专利技术实施例1中930℃下TC4/Ti50Zr30Cu6Co11V3/TC4接头的剪切断口形貌图。图8为本专利技术实施例1中采用Ti50Zr30Cu6Co11V3合金钎料在950℃/15min的钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头的背散射电子像图9为本专利技术实施例1中950℃下TC4/Ti50Zr30Cu6Co11V3/TC4接头的XRD图谱。图10为本专利技术实施例1中950℃下TC4/Ti50Zr30Cu6Co11V3/TC4接头的室温拉伸应力-位移曲线。图11为本专利技术实施例1中950℃下TC4/Ti50Zr30Cu6Co11V3/TC4接头的剪切断口形貌图。图12为本专利技术实施例4中采用Ti50Zr30Cu6Co11Al3合金钎料在950℃/15min的钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头的背散射电子像。图13为本专利技术中Ti50Zr30Cu6Co11Sn3合金钎料的X射线衍射图谱。图14为本专利技术中采用Ti50Zr30Cu6Co11Sn3合金钎料在950℃/15min的钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头的背散射电子像。具体实施方式下面结合附图及具体实施例详细介绍本专利技术。但以下的实施例仅限于解释本专利技术，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ti‑Zr‑Cu‑Co‑M系合金钎料，其特征在于：钎料按原子百分比成分为15～55的Zr、1～20的Cu、1～20的Co、0.01～15的主族或过渡族金属元素M和余量为Ti，所述M为V、Al和/或Sn元素。

【技术特征摘要】
1.一种Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料，其特征在于：钎料按原子百分比成分为15～55的Zr、1～20的Cu、1～20的Co、0.01～15的主族或过渡族金属元素M和余量为Ti，所述M为V、Al和/或Sn元素。2.根据权利要求1所述的Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料，其特征在于：Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料的优选成分有Ti50Zr30Cu6Co11V3或者Ti42Zr40Cu15Co2V1或者Ti46Zr29Cu9Co9V7或者Ti50Zr30Cu6Co11Al3或者Ti52Zr29Cu8Co10Al2Sn1或者Ti46Zr28Cu7Co13V3Al2Sn1。3.根据权利要求1所述的Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料，其特征在于：添加了与钛合金母材相容性较好的V、Al，且V在β-Ti中可以无限固溶，减少接头脆性相的析出，有利于钎焊接头力学性能的提高。4.根据权利要求1所述的Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料，其特征在于：钎料液相线温度为840℃～900℃，低于TC4的β转变温度。5.一种制备权利要求1所述的Ti-Zr-Cu-Co-M系合金钎料的方法，其特征在于：步骤一，称取各元素单质依据目标成分原子百分比为15～55的Zr、1～20的Cu、1～20的Co、0.01～15的M和余量为Ti，M为主族或过渡族金属元素，所述M为V、Al和/或Sn元素，称取相应质量的金属单质原料进...

【专利技术属性】
技术研发人员：逄淑杰，张涛，刘敏茜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11