一种钎焊C/C复合材料的活性钎料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种活性钎料及其制备方法和应用；属于C/C复合材料焊接技术领域。所述钎焊C/C复合材料的活性钎料由金属粉体和高分子聚合物组成；所述金属粉体由Ni、Cr、P、Ti按质量比，Ni：Cr：P：Ti＝60～84：20～10：15～5：5～1组成；所述金属粉末为Ni‑Cr‑P‑Ti合金粉末和/或预合金粉末。其制备方法为，通过配取设定组分的原料经熔炼和喷雾得到合金和/或与预合金粉末；然后和高分子聚合混合均匀得到钎料。其可以用于C质材料和C质材料的焊接。本发明专利技术组分设计合理，制备工艺简单可控，成本低廉，所得产品用焊接时性能优良；便于大规模的工业化生产和应用。

An Active Brazing Alloy for Brazing C/C Composites and Its Preparation Method and Application

The invention relates to an active filler metal, a preparation method and application thereof, and belongs to the welding technology field of C/C composite materials. The active filler metal for brazing C/C composites is composed of metal powder and macromolecule polymer; the metal powder is composed of Ni, Cr, P and Ti according to mass ratio, Ni: Cr: P: Ti = 60-84:20-10:15-5:5-1; the metal powder is Ni Cr P Ti alloy powder and/or pre-alloy powder. The preparation method is that the alloy and / or pre alloyed powder are obtained by melting and spraying the raw materials of the set components, and then the solder is mixed evenly with the polymer polymerization. It can be used for welding C and C materials. The invention has reasonable component design, simple and controllable preparation process, low cost, excellent welding performance of the product, and is convenient for large-scale industrial production and application.

【技术实现步骤摘要】
一种钎焊C/C复合材料的活性钎料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种活性钎料及其制备方法和应用；属于C/C复合材料焊接

技术介绍
C/C复合材料具有密度低、比强度大、比模量高、耐高温、耐热冲击、耐摩擦、耐腐蚀、热膨胀系数低等优良性能，因此被广泛应用于航空航天、机械工业等领域。但由于C/C复合材料成本高、加工周期长、变形能力差、各向异性、难以制备大型构件等原因，直接加工出大型复杂形状且尺寸精密的C/C复合材料构件对其预制体的编织、基体增密的设备和工艺的要求较高，且成本远高于简单形状的C/C复合材料。因此通过连接获得高强度的C/C复合材料连接接头是解决大型复杂精密部件制备问题的重要途径。C/C复合材料在3500℃以上的温度直接升华，不能通过熔化焊进行直接连接；机械连接会破坏接头附近炭纤维束的连续性，使得承重处的应力集中加剧；固相扩散连接通常需要对母材施加较大的压力，复合材料的物理性能会受到削弱，且连接过程需要较高的温度，连接时间长，对连接零部件的尺寸、表面处理要求严格，难以进行大批量的生产应用。现阶段钎料的研究方向为：降低钎焊的连接温度，可以连接不同种类的材料，且在钎焊过程中，C/C复合材料或者合金母材不发生熔化，母材的组织结构与物理化学性能几乎不受到影响；工艺操作简单，可实现批量生产。钎料组元通常与母材元素发生一定程度的反应，在被焊面附近形成界面层，使得接头具有良好的机械啮合和冶金键合效果，因而钎焊焊件能够适应高应力的工作环境。钎焊的钎料组元多为高熔点金属或非金属元素，如Ti、Ni、Si、Zr，钎焊得到的接头可以在高温条件下工作。目前已报道的C/C复合材料钎焊实验研究较多且连接效果较好的钎料成分有AgCuTi、TiCuNi、TiNiSi等。AgCuTi钎料中Ag、Cu、Ti的质量比为68.8:26.7:4.5，钎料通常在800～850℃之间即可熔化，并与C/C复合材料的基体发生相互作用形成钎焊接头，通过在界面处生成TiC实现钎料层与C/C基体之间良好的冶金结合。但Ag、Ti属于贵重金属，大量作为钎料组元的成本较高。TiNiSi钎料中Ti、Ni、Si的质量比为1:1:4，其中Si可以与C反应生成碳化物并与Ti形成金属间化合物，与C/C复合材料润湿并形成界面结合。但是由于Ti、Ni、Si的熔点高，为了实现钎料与母材的充分扩散和反应，对焊接工艺的要求也相对较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有焊接C/C复合材料的钎料存在接头剪切强度低、钎料成本高的问题，而提供钎焊C/C复合材料的活性钎料及其制备方法和应用。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，所述钎焊C/C复合材料的活性钎料由金属粉体和高分子聚合物组成；所述金属粉体由Ni、Cr、P、Ti按质量比，Ni：Cr：P：Ti＝60～84：20～10：15～5：5～1、优选为Ni：Cr：P：Ti＝70～80：15～10：12～9：3～1组成。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，所述钎焊C/C复合材料的活性钎料中，金属粉体与高分子聚合物的质量比为92～88:8～12。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，所述金属粉末为合金粉末和/或预合金粉末。优选为Ni-Cr-P-Ti合金粉末和/或预合金粉末。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，所述金属粉末的粒度为10～120μm、优选为20～80μm、进一步优选为30～60μm。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，所述高分子聚合物由高分子烷烃、凡士林、聚乙烯蜡、树脂按质量比，高分子烷烃：凡士林：聚乙烯蜡：树脂＝45～55:30～20:20～15:5～10组成。作为优选的所述高分子烷烃选自C5～C15中的至少一种。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，包括下述步骤：步骤一按金属粉体的成分设计比例；配取Ni源、P源、Cr源、Ti源；将配取的Ni源、P源、Cr源、Ti源进行真空熔炼后，进行喷雾造粒处理，得到金属粉末；步骤二将步骤一所得金属粉末加入到膏状高分子聚合物中，按质量比，金属粉末：高分子聚合物＝92～88:8～12配取金属粉末和高分子聚合物，充分搅拌均匀后得到活性钎料。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，所述Ni源选自Ni-P合金、纯镍、Ni-Cr合金、Ni-Ti合金中的至少一种；优选为Ni-P合金或纯镍、Ni-Cr合金、Ni-Ti合金中的至少一种与Ni-P合金组成的混合物。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，所述P源选自Ni-P合金、Cr-P合金中的至少一种；优选为Ni-P合金或Cr-P合金中的至少一种与Ni-P合金组成的混合物；本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，所述Cr源选自为单质Cr、Ni-Cr合金、Cr-P合金、Cr-Ti合金中的至少一种；优选为Cr单质或Ni-Cr合金、Cr-P合金、Cr-Ti合金的至少一种与Cr单质组成的混合物。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，所述Ti源选自Ti粉、Ni-Ti合金、Cr-Ti合金中的至少一种；优选为Ti粉或Ni-Ti合金、Cr-Ti合金的至少一种与Ti粉组成的混合物。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，采用Ni-P合金时，所述Ni-P合金中Ni与P的质量比为Ni：P＝85～90：15～10，Ni-P的纯度为99.0％～99.9％。采用单质Cr的纯度为99.0％～99.9％。采用Ti粉的纯度为99.0％～99.9％。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，步骤一中，所述真空熔炼的温度为1200℃～1500℃、真空度小于等于1.0～5.0×10-3，熔炼时间为30min～90min，得到高温液态合金。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，步骤一中，得到高温液态合金后，采用高速氮气冲击得到粒度为10～120μm的合金粉末颗粒。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，步骤二中，高分子聚合物由高分子烷烃、凡士林、聚乙烯蜡、树脂按质量比，高分子烷烃：凡士林：聚乙烯蜡：树脂＝45～55:30～20:20～15:5～10组成。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的应用；包括将其用于C/C复合材料与C质材料和/或金属材料的钎焊。优选为，将其用于C/C复合材料与C质材料的钎焊。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的应用；在使用过程中，无需施加额外的压力。本专利技术一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的应用；当所述钎料用于C/C复合材料与C质材料的焊接时，接头的室温抗剪切强度大于等于24.51MPa。优先为24.51MPa～34.02MPa。本专利技术所得的活性钎料，当所述钎料用于C/C复合材料与C质材料的焊接时，在小于10-2Pa的真空环境和不高于1000℃的条件下，于真空钎焊炉中保温30min制备得到的C/C复合材料钎焊接头，其最高抗剪切强度为34.02MPa。本专利技术的优点如下：本专利技术所得的活性钎料，其具有较好粘性的膏状特性能将有效地将C/C复合材料粘合在一起，在制备钎焊C/C复合材料时无需施加额外的压力，降低了工艺难度和成本。本专利技术的活性钎料对C/C复合材料的润湿性好，对C/C复合材料钎焊表面的要求不高。本专利技术的钎料，其成分主体为非贵金属，成本较低；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，其特征在于；所述钎焊C/C复合材料的活性钎料由金属粉体和高分子聚合物组成；所述金属粉体由Ni、Cr、P、Ti按质量比，Ni：Cr：P：Ti＝60～84：20～10：15～5：5～1组成；所述金属粉末为Ni‑Cr‑P‑Ti合金粉末和/或预合金粉末。

【技术特征摘要】
1.一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，其特征在于；所述钎焊C/C复合材料的活性钎料由金属粉体和高分子聚合物组成；所述金属粉体由Ni、Cr、P、Ti按质量比，Ni：Cr：P：Ti＝60～84：20～10：15～5：5～1组成；所述金属粉末为Ni-Cr-P-Ti合金粉末和/或预合金粉末。2.根据权利要求1所述的一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，其特征在于；所述钎焊C/C复合材料的活性钎料中，金属粉体与高分子聚合物的质量比为92～88:8～12。3.根据权利要求1所述的一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，其特征在于；所述金属粉末的粒度为10～120μm。4.根据权利要求1所述的一种钎焊C/C复合材料的活性钎料，其特征在于；所述高分子聚合物由高分子烷烃、凡士林、聚乙烯蜡、树脂按质量比，高分子烷烃：凡士林：聚乙烯蜡：树脂＝45～55:30～20:20～15:5～10组成；所述高分子烷烃选自C5～C15的烷烃中至少一种。5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述钎焊C/C复合材料的活性钎料的方法，其特征在于；包括下述步骤：步骤一按金属粉体的成分设计比例；配取Ni源、P源、Cr源、Ti源；将配取的Ni源、P源、Cr源、Ti源进行真空熔炼后，进行喷雾造粒处理，得到金属粉末；步骤二将步骤一所得金属粉末加入到膏状高分子聚合物中，按质量比，金属粉末：高分子聚合物＝92～88:8～12配取金属粉末和高分子聚合物，充分搅拌均匀后得到活性钎料。6.根据权利要求5所述的一种钎焊C/C复合材料的活性钎料的制备方法，其特征在于：所述Ni源选自Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉丽萍，吴皇，吴越，易振华，徐一溪，王喜云，易茂中，
申请(专利权)人：中南大学，澧县第一中学，
类型：发明
国别省市：湖南,43