阅读说明：本技术 一种TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料与制备方法及其钎焊方法 (TiNiNbZr high-temperature brazing filler metal for TiAl alloy, preparation method and brazing method thereof ) 是由 熊华平 尚泳来 任海水 静永娟 程耀永 于 2019-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明是一种TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料与制备方法及其钎焊方法,TiNiNbZr高温钎料的成份及重量百分比为：Ni：18.0～22.0,Nb：14.0～17.0,Zr：8.0～11.0,Ti：余量。采用本发明钎料在1000℃～1020℃钎焊温度下保温8～12min,对应钎焊接头室温抗拉强度达到372.3MPa～382.9MPa,750℃高温抗拉强度达到326.2MPa～339.5MPa,较室温强度保持在85.2％～91.2％。(The invention relates to a TiNiNbZr high-temperature solder for TiAl alloy, a preparation method and a soldering method thereof, wherein the TiNiNbZr high-temperature solder comprises the following components in percentage by weight: ni: 18.0 to 22.0, Nb: 14.0 to 17.0, Zr: 8.0-11.0, Ti: and (4) the balance. The brazing filler metal is adopted to be insulated for 8-12 min at the brazing temperature of 1000-1020 ℃, the room-temperature tensile strength of a corresponding brazed joint reaches 372.3-382.9 MPa, the high-temperature tensile strength at 750 ℃ reaches 326.2-339.5 MPa, and the room-temperature strength is kept at 85.2-91.2%.)

一种TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料与制备方法及其钎焊方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料与制备方法及其钎焊方法。该TiNiNbZr高温钎料及其钎焊方法适用于TiAl合金自身及其与其他异种金属的钎焊连接。

背景技术

TiAl合金是一种金属间化合物合金，具有密度低，比强度、比刚度高，抗氧化性、抗蠕变性能良好等优点，长期工作温度可达760℃～850℃，是未来极具应用潜力的新型轻质高温结构材料之一，在航空航天领域有良好的应用前景。由于TiAl合金密度约为3.7～3.9g/cm³，不足镍基高温合金的一半，因此使用它部分代替镍基高温合金，可实现相关热端构件大幅减重，对于提高航空发动机和航天火箭推进器的性能具有重要意义。与常规钛合金相比，则可以明显提高构件的服役温度。

为实现TiAl合金部分替代镍基高温合金，使其在航空航天工程领域得到推广应用，必然面临TiAl合金自身的连接问题。但TiAl合金的室温塑性较低，有明显的脆性倾向，降低了材料本身的焊接性。采用常规的熔焊方法进行连接时，存在热裂倾向、易产生凝固裂纹和淬硬倾向较大等问题，且需严苛的预热温度才可避免，根据报道需将工件焊前预热至800℃以上，实际焊接工艺的实施难度大，很难进行工程应用推广。而真空钎焊采用炉中整体加热的方式，可有效避免焊接接头应力集中导致的脆性开裂问题。因此通常采用钎焊方法进行连接。

目前国内外关于TiAl合金钎焊的报道中，采用的钎料包括Ti基、Ag基以及Al基钎料。有研究人员分别采用Ag-28Cu(wt.％)钎料(Shiue R K,Wu S K,Chen S Y.Infraredbrazing of TiAl intermetallic using BAg-8braze alloy[J].Acta Materialia,2003,51(7):1991-2004.)和Ag-27.25Cu-12.5In-1.25Ti(wt.％)钎料(Guedes A,Pinto A M P,Vieira M,et al.Microstructural Characterisation ofγ-TiAl Joints[J].KeyEngineering Materials,2002,4:230-232.)进行了TiAl合金钎焊研究，结果均表明钎料中含有的Cu，易于Ti、Al强烈反应生成Al-Cu-Ti化合物，这类化合物脆性倾向较大，会对接头的力学性能产生不良影响。并且Ag基钎料本身熔点较低，对应钎焊接头的高温性能不足。以BAlSi-4为钎料(Shiue R K,Wu S K,Chen S Y.Infrared brazing of TiAl using Al-based braze alloys[J].Intermetallics,2003,11(7):661-671.)，所得接头强度最高抗剪切强度仅为86MPa，而BAlSi-4钎料的液相线温度为582℃，显然，这与TiAl合金接头的应用要求差距较大。

Ti基钎料具有相对较高的熔点，主要包括Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni和Ti-Zr-Cu-Ni-Co-(Mo)等。有研究者采用Ti-15Cu-15Ni(wt.％)钎料对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金进行了真空钎焊研究发现，随着保温时间延长，钎缝中会形成AlCu(Ni)Ti脆硬相，进而减弱接头强度。Y.S.Cai等人以Ti-37.5Zr-15Cu-15Ni(wt.％)非晶钎料钎焊TiAl合金时，所得接头组织中产生的(Ti,Zr)₂(Cu,Ni)相成为接头薄弱区。也有学者通过在Ti-Zr-Cu-Ni钎料中添加Co元素或者Mo元素设计制备出新钎料进行TiAl钎焊实验，结果表明接头内有脆性相Ti₂Cu、Ti₂Ni或(Ti,Zr)₂(Cu,Ni)反应层生成。并且在相关报道中并未提及接头的高温性能，一般认为含Cu化合物相的存在会限制接头的高温性能。

此外，有人采用Ti-40Ni-20Nb(at.％)作为钎料，在1220℃/10min钎焊规范下得到接头的最大室温剪切强度为308MPa,但是在600℃温度下测试时其剪切强度已经降至172MPa。显然，高温性能还需进一步提高。

综合上述，为了实现TiAl合金的工程应用，急需解决其高温钎焊问题，需要TiAl合金钎焊接头高温性能稳定的专用钎料。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料，及其配套的钎焊方法。本发明提出钎料成分的重量百分比为：Ni：18.0～22.0,Nb：14.0～17.0,Zr：8.0～11.0,Ti：余量。对应的最佳钎焊方法窗口为：钎焊温度1000℃～1020℃，钎焊时间8～12min。

本发明是通过以下措施来实现的：

制备上述钎料的方法是，选择纯度不低于99.0％的高纯Ti、Ni、Nb、Zr，并按重量配比称量；在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法，将上述原材料熔炼成钎料合金锭；然后使用下述方法之一制备不同形式的钎料：

(1)采用氩气雾化制粉设备制备粉末状钎料；

(2)在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷箔带钎料；

(3)采用电火花线切割方法从合金锭上切出薄片，再将薄片正反面机械磨光。

使用上述高温钎料进行钎焊的方法是：

(1)装配：根据连接接头的要求进行TiAl合金自身试样的装配，在母材的连接界面处加入本发明设计的急冷箔带钎料，或粉末状钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，或轧制而成的钎料合金带材；

(2)加热：焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，加热升温至指定温度，加热速率为10℃/min，保温指定时间后再随炉冷却至室温，或者气体保护感应加热，保温后冷却。

(3)焊接工艺：采用本发明提出的钎料，可在1010℃条件下，保温10min，实现TiAl合金自身的连接，获得冶金结合良好的接头。

具体方式如下：

一种TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料，其成份及重量百分比为：Ni：18.0～22.0,Nb：14.0～17.0,Zr：8.0～11.0,Ti：余量。

优选地，其成份及重量百分比为：Ni：18.5～21.5,Nb：14.0～16.0,Zr：9.0～11.0,Ti：余量。

优选地，其成份及重量百分比为：Ni：19.0～21.0,Nb：14.0～16.0,Zr：9.0～11.0,Ti：余量。

TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料的钎焊方法，钎焊温度1000℃～1020℃，钎焊时间8～12min，升温速率为10℃/min，随炉冷却。

优选地，钎焊温度为1005℃～1015℃，钎焊时间为9～11min，升温速率为10℃/min，随炉冷却。

优选地，在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将TiNiNbZr合金原料熔炼成TiNiNbZr合金锭。

优选地，采用氩气雾化制粉设备制备粉末状钎料。

TiAl合金用TiNiNbZr高温钎料的制备方法，采用在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷箔带钎料。

优选地，制备过程为在TiNiNbZr合金锭上切出薄片，再将薄片正反面机械磨光。

优选地，采用电火花线切割方法在TiNiNbZr合金锭上切出薄片。

本发明具有如下优点和实际效果：

(1)如上所述，为消除含Cu钎料钎焊TiAl所得接头中的Ti-Al-Cu脆性化合物相，同时控制钎料合金的熔化温度，本发明采用Zr元素代替常规钎料中的Cu元素，避免了接头组织中生成Ti-Al-Cu脆性化合物，同时保证了接头的高温性能。

(2)本发明所述的TiNiNbZr高温钎料，其主要降熔元素依然是Ni，根据Ti-Ni，Zr-Ni均可形成低熔点固溶体，达到共同调整钎料熔点的作用。经过多次调整优化钎料成分，本发明获得了液相线963℃的钎料成分。本发明钎料中Ni的含量控制在20％(wt.％)，可以保证钎料的耐高温性能，进而保证钎焊接头的耐温性能。

(3)本发明所述的TiNiNbZr高温钎料，可在钎焊温度1010℃，保温10min工艺条件下，获得接头的室温抗拉强度达到372.3MPa～382.9MPa，达到母材性能的78％～81％，750℃高温抗拉强度达到326.2MPa～339.5MPa，达到室温接头强度的85.2％～91.2％。

(4)本发明所述的TiNiNbZr高温钎料，所选用的元素Ti、Ni、Nb和Zr均为工程应用中的常见金属元素，不含贵金属元素，钎料批量生产的成本较低。其次，该钎料在TiAl合金表面润湿性良好，钎焊过程中的填缝性能优异，具有良好的工艺性。因此，本发明所述钎料易进行工程化应用推广，市场前景广阔。

(5)本发明所述的TiNiNbZr高温钎料，能够制备成平整且无明显孔洞缺陷的急冷态箔带，箔带厚度35～60微米可调，同时具有一定的韧性，满足工程应用中焊前钎料装配的实际需求。

(6)本发明所述的TiNiNbZr高温钎料，其液相线温度在951℃～972℃，不仅适应于TiAl合金自身的钎焊，也适于TiAl与钛合金或者Ti₂AlNb合金的钎焊连接。

附图说明

图1是采用本发明所述的TiNiNbZr高温钎料，在钎焊方法1010℃/10min条件下,以双层箔带钎料为中间层，采用真空炉中钎焊，获得的TiAl合金自身钎焊接头微观组织形貌。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

下表给出了本发明技术方案所述TiNiNbZr高温钎料的实施例及其每一个实施例中的成份及重量百分比组成。

上述实施例所述的TiNiNbZr高温钎料按如下工艺路线制备：

(1)选择纯度不低于99.0％的高纯Ti、Ni、Nb、Zr，并按重量配比称量；

(2)在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将上述单质熔炼成钎料合金锭；

(3)采用下述方法之一制备钎料：

A、采用氩气雾化制粉设备制备合金粉末状钎料；

B、在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷态箔带钎料，对于单辊法快速凝固过程，单辊需以1000～10000r/min的高速度旋转，钎料锭块熔化形成液态后冷却速率介于10³～10⁶K/s之间；

C、从合金锭上采用电火花线切割方法切出薄片再正反面机械磨光后使用；

根据连接接头的要求进行TiAl合金试样的装配，在被连接面处加入本发明粉状钎料，或急冷态箔带钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，或钎料合金轧制带,装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，或气体保护的感应加热室中，按工艺要求保温后再冷却至室温。

采用表1所示的实施例1，4，7,10，13的成分钎料，分别以粉状钎料，或急冷态箔带钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，在1000℃～1020℃的钎焊温度下，保温8min～12min，进行了名义成分Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.％)合金自身的连接；采用表1所示的实施例2，5，8,11，14的成分钎料，分别以粉状钎料，或急冷态箔带钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，在1000℃～1020℃的钎焊温度下，保温8min～12min，进行了名义成分Ti-46Al-4(Cr,Nb,B)(at.％)合金自身的连接；采用表1所示的实施例3，6，9,12，15的成分钎料，分别以粉状钎料，或急冷态箔带钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，在1000℃～1020℃的钎焊温度下，保温8min～12min，进行了名义成分Ti-43Al-9V-0.3Y(at.％)合金自身的连接。