阅读说明：本技术 焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法 (Brazing method for welding aluminum-based composite material and titanium alloy to strengthen particles of intermetallic compound of welding line in dispersion mode ) 是由 许志武 李政玮 柴本 闫久春 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法,本发明涉及铝基复合材料和钛合金钎焊领域。本发明要解决现有焊接铝基复合材料和钛合金方法,获得的接头性能低的技术问题。方法：一、将纯铝锭熔化；二、对钛合金表面进行改性；三、超声焊接。本发明可明显降低钛合金和铝基复合材料的焊接温度,有效防止焊接过程中母材的受热软化,且进入焊缝的TiAl<Sub>3</Sub>颗粒可起到弥散强化的作用,有利于获得高强度的焊接接头。本发明方法用于钎焊铝基复合材料和钛合金。(The invention discloses a brazing method for welding an aluminum-based composite material and a titanium alloy to disperse and strengthen intermetallic compound particles of a weld joint, and relates to the field of brazing of the aluminum-based composite material and the titanium alloy. The invention aims to solve the technical problem that the joint obtained by the existing method for welding the aluminum-based composite material and the titanium alloy is low in performance. The method comprises the following steps: firstly, melting a pure aluminum ingot; secondly, modifying the surface of the titanium alloy; and thirdly, ultrasonic welding. The invention can obviously reduce the welding temperature of the titanium alloy and the aluminum-based composite material, effectively prevent the heating softening of the base metal in the welding process and prevent the TiAl entering the welding line 3 The particles can play a role in dispersion strengthening, and are beneficial to obtaining high-strength welding joints. The method of the invention is used for brazing aluminum-based composite materials and titanium alloys.)

焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强 化的钎焊方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料和钛合金钎焊领域。

背景技术

航空航天飞行器耐高温、高速度、强机动、大载荷、长航程等特点对飞行器的材料性能，尤其是结构轻量化方面提出了愈发苛刻的要求。新型轻质高强材料不仅能提高飞行器各方面性能，还可以降低制造成本。铝基复合材料具有密度低、强度高、刚度高等优点，在航空航天、汽车、电子等领域具有极大的应用潜力。钛合金具有强耐高温性和优异力学性能，在我国航空航天及船舶等领域应用广泛。

铝基复合材料和钛合金作为两种应用前景广阔的材料，二者的连接能取长补短，应用范围极广，因此，研究二者的连接具有重大的理论和现实意义。

铝基复合材料和钛合金的焊接仍然是现代制造业的一个难点问题。由于钛合金的热稳定性好，且表面易形成氧化膜，属于难润湿的材料，其焊接过程一般需要真空环境，且需要一定的保温时间，焊接效率低且接头性能不高。因此，发明一种高效、可在大气环境中进行、且可获得高强度接头的铝基复合材料与钛合金的焊接方法势在必行。

发明内容

本发明要解决现有焊接铝基复合材料和钛合金方法，获得的接头性能低的技术问题，而提供焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法。

焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法，具体按以下步骤进行：

一、将纯铝锭放入钎料槽中，加热熔化，获得改性熔液；

二、将钛合金浸入步骤一获得的改性熔液中，施加超声波，进行钛合金表面改性，然后保温10min～1h，取出，空冷，进行表面打磨，获得具有改性层的钛合金；

三、在铝基复合材料和步骤二得到的具有改性层的钛合金之间放入钎料，进行超声焊接，完成该方法。

其中，步骤二利用超声波实现对钛合金的快速表面改性，在保温时间内实现钛合金改性层的金属间化合物的颗粒增强，而后对表面改性后的钛合金进行打磨，是要磨掉未形成金属间化合物颗粒增强的部分。

进一步的，步骤二中控制超声波频率为15～50kHz、振幅为4～15μm、功率为100～2000W、超声加载时间为1～100s。

进一步的，步骤三中超声焊接，控制超声频率为15～50kHz、振幅为4～15μm、功率为100～2000W、超声加载时间为1～100s。

进一步的，步骤三中钎料为Sn基钎料，钎焊时控制钎焊温度为200～400℃。

进一步的，步骤三中钎料为Zn基钎料，钎焊时控制钎焊温度为400～550℃。

本发明首先利用超声波作用下液态钎料的声空化作用实现对钛合金的快速表面改性，而后在一定的保温时间内实现改性层的金属间化合物的颗粒增强，最后在极短的时间内、较低的温度下完成超声焊接的过程。焊接过程中，改性层中的金属间化合物的颗粒会进入到焊缝中，对焊缝实现弥散强化的作用。本发明可在大气环境下进行，无需真空或保护气体；表面改性过程、改性后保温和焊接的时间较短，焊接效率高；表面改性和焊接过程温度低，母材不熔化；获得的接头强度较高，可达70MPa以上；除此之外，金属间化合物颗粒增强的改性层和焊缝还可以使钛合金和铝基复合材料接头在高温时保持一定强度。

本发明的有益效果是：

本发明首先对钛合金进行表面改性，主要手段是超声波辅助方法，原理是利用超声作用下液态钎料(熔点低于钛合金)的声空化现象去除钛合金母材表面的氧化膜，而后钎料与钛合金结合在其表面形成一低熔点的改性层，从而降低达到降低焊接温度的目的。用于钛合金表面改性的钎料金属的强度不能过低，否则会造成整体接头性能的下降。表面改性后，通过延长保温时间，在改性层中生成弥散分布的TiAl₃颗粒，从而提高改性层的强度。另外将表面改性后的钛合金和铝基复合材料进行超声波辅助焊接，焊接过程同样利用超声辅助。此时钎料可选择低温或中等温度钎料，但其熔点应当低于铝基复合材料的液相线。焊接过程中，改性层中的TiAl₃颗粒会进入到焊缝中，对焊缝起到弥散强化的作用。除此之外，液态钎料在超声波作用下会产生大量的空化泡，空化泡溃灭之后产生的特殊现象如局部高温，高压和高速液体流动，会使钛合金和铝基复合材料在极短的时间内完成焊接。利用本发明可明显降低钛合金和铝基复合材料的焊接温度，有效防止焊接过程中母材的受热软化，且进入焊缝的TiAl₃颗粒可起到弥散强化的作用，有利于获得高强度的焊接接头。

综上，本发明焊接方法具有以下有益效果：

1.待焊材料的任意性。本发明可任意选择钛合金和铝基复合材料，不受母材成分的限制。

2.焊接过程中钎料的选择和成分配比灵活。本发明可使用任意钎料，高低温均可，且钎料成分配比灵活，可以是单一成分，也可以是复合钎料。

3.焊接过程温度低、可选择范围广。本发明可根据试件的使用情况选择合适的钎料，而后根据钎料成分选择焊接温度。如Sn-9Zn钎料的焊接温度可以为200℃左右，Zn-5Al钎料的焊接温度可以为400℃左右。

4.超声的施加位置灵活。表面改性过程中，超声波可以加载在夹具的任何位置，不受位置和距离的限制；焊接过程中，超声波可以加载在待焊材料上，也可以施加在夹具上；超声可以持续施加，也可以间隙施加。

5.表面改性层的强度高。例如，使用纯铝对TA15钛合金进行超声辅助表面改性，可获得由TiAl₃颗粒增强的改性层，此改性层的剪切强度超过140MPa。

6.接头的强度高。焊接过程中，改性层的TiAl₃颗粒可直接进入焊缝且弥散分布，可对焊缝起到颗粒增强的作用，所得接头的强度高于钎料本身。

7.成本低，适应性强，焊接效率高。在大气环境下即可完成焊接，几乎不受周围环境的影响。

8.适用范围广，本发明适用于各种厚度材料，各种复杂件的焊接。

本发明方法用于钎焊铝基复合材料和钛合金。

附图说明

图1为实施例一步骤二钛合金表面改性的示意图；

图2为实施例一步骤三超声焊接的示意图；

图3为实施例一步骤三获得具有改性层的钛合金的扫描电镜图；

图4为实施例一获得的钎焊接头的扫描电镜图；

图5为实施例二步骤三获得具有改性层的钛合金扫描电镜图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法，具体按以下步骤进行：

一、将纯铝锭放入钎料槽中，加热熔化，获得改性熔液；

二、将钛合金浸入步骤一获得的改性熔液中，施加超声波，进行钛合金表面改性，然后保温10min～1h，取出，空冷，进行表面打磨，获得具有改性层的钛合金；

三、在铝基复合材料和步骤二得到的具有改性层的钛合金之间放入钎料，进行超声焊接，完成该方法。

本实施方式步骤二中利用超声作用下液态金属的声空化作用去除钛合金表面的氧化膜，而后钎料与钛合金结合，完成表面改性过程。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中加热至700～720℃，将纯铝锭熔化。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中钛合金为工业纯钛TA1-4、TA15钛合金、TC1-26钛合金、TA5-28钛合金或TB2-11钛合金。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中钛合金的尺寸为10mm×10mm×3mm。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中控制超声波频率为15～50kHz、振幅为4～15μm、功率为100～2000W、超声加载时间为1～100s。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中保温温度为700～720℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中铝基复合材料为碳纤维增强铝基复合材料或SiC增强铝基复合材料。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中超声焊接，控制超声频率为15～50kHz、振幅为4～15μm、功率为100～2000W、超声加载时间为1～100s。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中钎料为Sn基钎料，钎焊时控制钎焊温度为200～400℃。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中钎料为Zn基钎料，钎焊时控制钎焊温度为400～550℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法，具体按以下步骤进行：

一、将纯铝锭放入钎料槽中，加热至720℃熔化，获得改性熔液；

二、将TA15钛合金浸入步骤一获得的改性熔液中，施加超声波，进行钛合金表面改性，然后温度为720℃条件下，保温20min，取出，空冷，进行表面打磨，获得具有改性层的钛合金；

三、在碳纤维增强铝基复合材料和步骤二得到的具有改性层的钛合金之间放入钎料，进行超声焊接，完成该方法。

步骤二中TA15钛合金的尺寸为10mm×10mm×3mm；

步骤二中控制超声波频率为20kHz、振幅为6μm、功率为1000W、超声加载时间为10s；

步骤三中超声焊接，控制超声频率为20kHz、振幅为6μm、功率为1000W、超声加载时间为60s；

步骤三中钎料按质量百分含量为Zn-5Al钎料，钎焊时控制钎焊温度为400℃。

图1为本实施例步骤二钛合金表面改性的示意图；

图2为本实施例步骤三超声焊接的示意图；

图3为本实施例步骤三获得具有改性层的钛合金的扫描电镜图，从图中可以看出在TA15钛合金表面获得了由TiAl₃颗粒增强的改性层，经测试此改性层的剪切强度为140.6MPa。

图4为本实施例获得的钎焊接头的扫描电镜图，从图中可以看出TA15钛合金表面改性层的TiAl₃颗粒可直接进入焊缝且弥散分布，可对焊缝起到颗粒增强的作用，所得接头的强度高于钎料本身，经测试接头的强度为70.4MPa。

经测试证实，在钛合金表面改性过程后期施以一定的保温，TiAl₃的分布并不是块状的，而是以颗粒状分布在改性层中。此颗粒状的形貌和离散分布的TiAl₃会对改性层起到明显的增强作用，当改性层中的弥散分布时，改性层的剪切强度可达140MPa以上。

实施例二：

本实施例焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法，具体按以下步骤进行：

一、将纯铝锭放入钎料槽中，加热至720℃熔化，获得改性熔液；

二、将TC4钛合金浸入步骤一获得的改性熔液中，施加超声波，进行钛合金表面改性，然后温度为720℃条件下，保温20min，取出，空冷，进行表面打磨，获得具有改性层的钛合金；

三、在碳纤维增强铝基复合材料和步骤二得到的具有改性层的钛合金之间放入钎料，进行超声焊接，完成该方法。

步骤二中TC4钛合金的尺寸为10mm×10mm×3mm；

步骤二中控制超声波频率为20kHz、振幅为6μm、功率为1000W、超声加载时间为10s；

步骤三中超声焊接，控制超声频率为20kHz、振幅为6μm、功率为1000W、超声加载时间为60s；

步骤三中钎料按质量百分含量为Zn-5Al钎料，钎焊时控制钎焊温度为400℃。

图5为本实施例步骤三获得具有改性层的钛合金扫描电镜图，从图中可以看出在TC4钛合金表面获得了由TiAl₃颗粒增强的改性层，经测试此改性层的剪切强度为145.3MPa。