一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法技术

本发明专利技术涉及一种焊接金属钛合金与铜合金的方法。一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于它包括以下步骤：１）选择铌箔或铌粉作为连接钛合金片与铜合金片的中间层，清洁钛合金片和铜合金片的待焊面；２）将铌中间层置于钛合金片与铜合金片之间，整体放入石墨模具中，然后将石墨模具移入真空焊接炉内，并施加０．５～２ＭＰａ的预压力压实；３）对真空焊接炉抽真空，当真空度大于５×１０↑［－３］Ｐａ时，开始加热，升温至７００～８５０℃后保温３０～６０ｍｉｎ，升温速率为２～１０℃／ｍｉｎ，并在保温前施加５～１０ＭＰａ的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。该方法可实现钛合金与铜合金的高强度连接。适合于多种钛、铜合金的高强度连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种焊接金属钛合金与铜合金的方法。技术背景现代科学技术的发展，往往要求同一构件的不同部位承受不同的工作条件，用单一的金 属材料制造这样的构件不仅不经济，而且有时是不可能的。如果能把几种不同金属组合成构 件并尽可能使构件不同部位上的金属是能够承受相应工作条件的最佳材科，就可以扬长避 短，最大限度地发挥各种材料的潜力。钛合金作为一种重要的结构材料，具有比重小、强度高、耐热和耐蚀性好等优点，在航 空、航天、石化、医疗等领域得以广泛应用，但由于价格昂贵，限制了进一步推广应用。铜 合金具有良好的延展性和加工性，而且电导率高、导热性好，但在抗氧化性、熔点及硬度方 面的不足阻碍了其应用。因此，研究钛合金与铜合金的连接技术，充分发挥二者各自的性能 优势，是进一步拓宽钛、铜合金应用领域的有效途径之一。例如，钛-铜复合材料作为一种金 属阳极的主要部件，可将钛合金的耐腐蚀性和铜合金的良好导电性融为一体，能代替传统的 石墨阳极，使其寿命提高10倍以上，节能20%以上。扩散焊是连接异种金属和合金的一种行之有效的方法，与其它焊接方法相比，它具有焊 接接头的质量好、焊件整体变形小、操作过程简单、工艺参数易调易控等优点。但是，钛合 金与铜合金之间由于熔点、热导率、热膨胀系数等物理性能存在较大差异，而且二者的晶格 类型不同，原子半径也相差很多，钛合金与铜合金的直接接触扩散焊难以实现可靠连接，焊接时产生的问题主要有钛与铜的互溶性小，易形成多种脆性的金属间化合物，使接头脆性增加；钛与铜高温时 的吸氢能力都很强，易产生脆性氢化物，会显著降低焊接接头的塑性和韧性；钛与铜的热膨 胀系数相差近一倍，焊接时会产生较大的应力，获得的焊件极易发生开裂现象；钛与铜均易 氧化，氧化膜会削弱钛与铜之间的界面结合能力。
技术实现思路
为解决直接扩散焊技术在连接钛与铜时存在的问题，本专利技术提供一种利用铌中间层扩散 焊接钛合金与铜合金的方法，该方法可实现钛合金与铜合金的高强度连接。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是 ，包括以下步骤1) 选择铌箔或铌粉作为连接钛合金片与铜合金片的中间层，清洁钛合金片和铜合金片的 待焊面；2) 将铌中间层置于钛合金片与铜合金片之间，整体放入石墨模具中，然后将石墨模具移 入真空焊接炉内，放置于炉内的石墨上压头和石墨下压头之间，并施加0.5 2MPa的预压力 压实；3) 对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5xl(^Pa时，开始加热，升温至700-850 。C后 保温30 60min,升温速率为2~10 。C /min，并在保温前施加5~10MPa的轴向压力；达到保 温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。所述的铌中间层(铌箔或铌粉)的厚度为50~100 ):mi。 所述的铌箔、铌粉的纯度29%，铌粉的平均粒度为5~20 pm。 所述的钛合金圆片为Ti-6A1-4V合金、Ti-5Al-2.5Sn合金或Ti-13V-llCr-3Al合金。 所述的铜合金圆片为无氧铜、青铜、黄铜或白铜。本专利技术通过在钛合金与铜合金之间加入铌中间层进行真空扩散焊接， 一方面，可防止钛 合金与铜合金直接连接时脆性金属间化合物的生成，提高接头的韧性和结合强度；另一方面， 铌的热膨胀系数和热导率等物理性能介于钛合金与铜合金之间，它在钛、铜合金之间起到缓 解接头应力和减少接头形变的作用，因而能有效提高接头强度。利用本专利技术的制备方法，可 实现多种钛、铜合金的高强度连接。例如，采用50 pm的Nb箔作为中间层，扩散悍接Ti-6A1-4V 合金和无氧铜的焊件接头的抗拉强度达到107 MPa，比未加Nb箔的直接焊接体的强度高出 40 MPa。 附图说明图1是本专利技术扩散焊接钛合金与铜合金的装配示意图；图2是本专利技术加入铌箔中间层后扩散悍接钛合金(Ti-6A1-4V)和铜合金(无氧铜)的连 接界面的显微结构图；图3是直接扩散焊接钛合金(Ti-6A1-4V)和铜合金(无氧铜)的连接界面的显微结构图； 图中l-石墨上压头；2-上阻焊层；3-石墨圆形外套；4-石墨下压头；5-真空焊接炉下压头；6-真空焊接炉上压头；7-钛合金片；8-铌中间层；9-铜合金片；10-下阻焊层。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不 仅仅局限于下面的实施例。实施例l:钛合金(Ti-6A1-4V)与铜合金(无氧铜)的连接，，包括以下步骤1) 焊接前工件的表面清理选择铌箔作为连接Ti-6Al-4V合金和无氧铜圆片的中间层，铌中间层为纯度99%、厚度50)am、直径25 mm;焊件是直径25 mm的Ti-6A1-4V合金和无 氧铜圆片；将Ti-6A1-4V合金、无氧铜圆片和铌箔的待焊表面用平面磨床、研磨机等设备加 工平整，然后用粒度分别为1000#、 1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨光滑；然后用去离子 水将Ti-6A1-4V合金、无氧铜圆片和铌箔冲洗干净，并用丙酮超声波清洗10min，备用。2) 焊件装配、入炉如图1所示，将铌中间层8置于钛合金片7 (Ti-6A1-4V合金)和 铜合金片9 (无氧铜圆片)之间，将无氧铜圆片置于底层，然后放置铌中间层，最上边是 Ti-6A1-4V合金；将组装好的工件整体放入石墨模具中，放置于石墨上压头1和石墨下压头4 之间，在石墨上压头1与钛合金片7之间放置上阻焊层2，在石墨下压头4与铜合金片9之 间放置下阻焊层10;然后将装配好的焊件放于真空焊接炉内的真空焊接炉上压头6和真空焊 接炉下压头5之间并施加0.5MPa的预压力压实。图l中标号3为石墨模具的石墨圆形外 套。上阻焊层2、下阻焊层10分别是直径25mm、厚度1.5 mm的石墨垫片。3) 真空扩散焊、出炉对真空焊接炉抽真空，当真空度大于5x10—3 Pa时，开始加热， 先以10 。C/min的升温速率升温至800 。C，然后以2 。C/min升至850 。C，保温30 min，在 保温前施加5MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。图2是加入铌中间层后扩散焊接Ti-6A1-4V合金和无氧铜的连接界面的显微结构，与直 接扩散焊接的接头界面(图3)相比，加入铌箔后，焊接接头的界面清晰、平整，形变量小， 而且不存在明显的脆性金属间化合物过渡层。抗拉强度测试实验表明，加入铌中间层的焊接 接头强度达到107 MPa，比未加Nb箔的直接焊接体的强度高出40 MPa。 实施例2:钛合金(Ti-6A1-4V)与铜合金(青铜)的连接， ，包括以下步骤1) 焊接前工件的表面清理选择铌箔作为连接Ti-6Al-4V合金和青铜圆片的中间层，铌 中间层为纯度99%、厚度100 nm、直径25 mm;焊件是直径25 mm的Ti-6A1-4V合金和青 铜圆片；将Ti-6A1-4V合金、青铜圆片和铌箔的待焊表面用平面磨床、研磨机等设备加工平 整，然后用粒度分别为1000#、 1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨光滑；然后用去离子水将 Ti-6A1-4V合金、青铜圆片和铌箔冲洗干净，并用丙酮超声波清洗10min，备用。2) 焊件装配、入炉将铌中间层置于Ti-6Al-4V合金和青铜圆片之间，将青铜圆片置于底层，然后放置铌中间层，最上边是Ti-6Al-4V合金；将组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用铌中间层扩散焊接钛合金与铜合金的方法，其特征在于它包括以下步骤：１）选择铌箔或铌粉作为连接钛合金片与铜合金片的中间层，清洁钛合金片和铜合金片的待焊面；２）将铌中间层置于钛合金片与铜合金片之间，整体放入石墨模具中，然后将石墨模具移入真空焊接炉内，放置于炉内的石墨上压头和石墨下压头之间，并施加０．５～２ＭＰａ的预压力压实；３）对真空焊接炉抽真空，当真空度大于５×１０↑［－３］Ｐａ时，开始加热，升温至７００～８５０℃后保温３０～６０ｍｉｎ，升温速率为２～１０℃／ｍｉｎ，并在保温前施加５～１０ＭＰａ的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张联盟，王传彬，沈强，罗国强，曾浩，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]