用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基合金的釬料及方法和釬焊工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基合金的釬料及方法和釬焊工藝，屬于異質(zhì)材料焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]W-Cu復(fù)合材料綜合了 W和Cu的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、硬度，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、低的熱膨脹系數(shù)，良好的耐電弧腐蝕性、耐高溫氧化性、抗熔焊性及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。在航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械、能源、電子以及軍事國防領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。W-Cu復(fù)合材料不僅作為耐高溫連接件、散熱基件、熱沉材料和觸頭材料，還作為火箭、導(dǎo)彈尾噴管的喉襯、噴嘴、燃?xì)舛娴雀邷夭考?。Fe基粉末合金具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性、硬度、耐磨性能，以及擁有良好的高溫穩(wěn)定性能，同樣運(yùn)用于重要的工業(yè)領(lǐng)域。為了進(jìn)一步發(fā)揮W-Cu復(fù)合材料和Fe基粉末合金的優(yōu)越性能，彌補(bǔ)其弱勢缺陷；W_Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金連接成復(fù)合件，既可以充分發(fā)揮W-Cu復(fù)合材料的優(yōu)良特征，又能展現(xiàn)Fe基粉末合金的優(yōu)異性能，提高了連接構(gòu)件的整體性能，具有重大的實(shí)用價(jià)值。
[0003]W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金連接時(shí)，因物理化學(xué)性能的差異，易出現(xiàn)焊合區(qū)晶粒粗大、組織脆化、殘余應(yīng)力等現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭斷裂傾向增大。焊縫金屬力學(xué)性能降低，嚴(yán)重影響了兩者之間的連接性能以及整體構(gòu)件的使用性能；此外，W-Cu復(fù)合材料對氣體雜質(zhì)敏感性較大，以及易出現(xiàn)脆化物相和微孔，嚴(yán)重影響接頭的氣密性及承載能力。因此，W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金焊接時(shí)，組織結(jié)構(gòu)變化、氣體雜質(zhì)污染、應(yīng)力集中等問題導(dǎo)致連接接頭性能失效，是W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金焊接面臨的主要問題。
[0004]對于W-Cu復(fù)合材料與異種合金材料連接而言，釬焊特別是真空釬焊方法適合性更好。尋找一種性能優(yōu)良和性價(jià)比高的填充材料，制定合理的焊接工藝是實(shí)現(xiàn)W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金異種材料連接的關(guān)鍵。目前，尚未看到W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金連接技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基合金的釬料及方法和釬焊工藝，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻，提高了接頭的力學(xué)性能。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金的釬料，所選釬料為箔片帶狀，厚度為50?100 μπι，釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括:Μη6.0%?9.0%, Co3.5%?5%，N1.3%?1.7%, Zr2.0%?5.0%, Til.2%?2.8%，余量為Cu。
[0007]作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括:Mn7.0%?9.0%，Co3.5%?4.5%, N1.5%~ 1.5%, Zr2.5%~ 4.5%, Til.5%~ 2.5%，余量為 Cu。
[0008]作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括:Mn8.0 %、Co4.0 %、Nil.0%、Zr3.5%、Ti2.0%，其余為 Cu。
[0009]—種上述的用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金的釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Mn片、Co顆粒、Ni顆粒、Zr顆粒、Ti顆粒和Cu顆粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在18-23°C的溫度下進(jìn)行超聲清洗15?20min ;
[0011]2)將步驟(I)超聲清洗后的混合物在30?50°C的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
[0012]3)將步驟⑵的混合物Mn、Co、N1、Zr、T1、和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0013]4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為 150 ?200 μπι ；
[0014]5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械栗抽真空至1.5X103Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不低于9 X 10 5Pa,然后腔體充滿高純Ar氣至200?230mbar ；
[0015]6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速!^在28?33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻恪融后，保溫過熱恪體60s?80s ；
[0016]7)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 30?60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅棍表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50?100 μπι。
[0017]作為優(yōu)選，所述步驟(3)中石英玻璃管噴嘴呈長方形，其長度為8?10mm，寬度為0.8 ?1.2mmο
[0018]作為優(yōu)選，所述步驟￠)中銅輥直徑為250_，銅輥寬度為50_。
[0019]一種上述用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金的釬料的釬焊工藝，包括以下步驟:
[0020](I)準(zhǔn)備階段:對待釬焊的W-Cu復(fù)合材料和Fe基粉末合金試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W7號金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，將W-Cu復(fù)合材料、Fe基粉末合金及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15?20min，并進(jìn)行烘干處理；
[0021](2)裝配階段:將清洗后的釬料箔片置于Fe基粉末合金與W-Cu復(fù)合材料待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04?0.06MPa的恒定垂直壓力；
[0022](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5 X 10 3Pa的釬焊設(shè)備中，首先以6?10°C /min的速率升溫至300?350°C，保溫15?20min，再以4?6°C /min的速率升溫至700?750°C，保溫時(shí)間15?20min，再以6?10°C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1000?1050°C，保溫時(shí)間20?45min，再以3?5°C /min的速率冷卻至750?8000C，保溫時(shí)間10?15min，最后以5?7°C /min的速率冷卻至450?500°C，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0023]在本發(fā)明中，加入一定量的Mn元素適當(dāng)?shù)慕档土蒜F料的熔化溫度，促進(jìn)了釬焊接頭固溶體的形成；加入適量的Zr有利于釬料細(xì)化晶粒和提高釬料的高溫性能；Co和Ni的添加提高了該釬料的抗氧化性和耐蝕性；適量Ti有利于細(xì)化晶粒，提高釬料合金的強(qiáng)度；同時(shí)大量的Cu元素有利于提高合金釬料的塑性和強(qiáng)度，促進(jìn)釬焊與W-Cu復(fù)合材料和Fe基粉末合金的固溶冶金反應(yīng)，提高釬焊接頭的綜合性能。
[0024]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025](I)本發(fā)明釬料的釬焊溫度在1000°C?1050 °C，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻；使用釬料箔片有利于促進(jìn)釬焊連接過程中合金元素的擴(kuò)散和界面反應(yīng)，提高釬料在W-Cu復(fù)合材料和Fe基粉末合金表面的潤濕和鋪展能力，細(xì)化晶粒和減小殘余應(yīng)力，提高了接頭的力學(xué)性能；
[0026](2)采用本發(fā)明的釬料連接W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金的釬焊工藝穩(wěn)定可靠，利用真空釬焊連接，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，整個(gè)構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤濕鋪展較好，充分填充釬縫，提高了接頭的整體強(qiáng)度，以及擁有良好的塑性變形能力，因而能獲得更為穩(wěn)定可靠的連接接頭；
[0027](3)本發(fā)明釬料連接W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金，釬料與基體母材充分形成固溶冶金反應(yīng)，組織細(xì)粒，使得本發(fā)明釬料具有優(yōu)異常溫和高溫性能，獲得的W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金的連接接頭性能穩(wěn)定可靠，擴(kuò)大了 W-Cu復(fù)合材料與異種材料連接的應(yīng)用領(lǐng)域；
[0028](4)本發(fā)明獲得的釬料制備方法和釬焊工藝簡單，實(shí)施方便快捷，釬料的制備以及釬焊工藝可重復(fù)再現(xiàn)，真空釬焊過程無須添加釬劑以及保護(hù)措施，便于廣泛的推廣與應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]W-Cu復(fù)合材料(W重量占55 %，Cu重量占45 % )與Fe基粉末合金(Col0.5 %，C2.3%, Cr4.0 %，Μο7.0%,W6.5%, V6.5%,余量為Fe)對接接頭真空釬焊:ff-Cu復(fù)合材料和Fe基粉末合金試樣尺寸均為20mmX 20mmX 6mm，待奸焊面為20mmX 6mm截面。
[0031]釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為:Mn7.0%,Co4.5%,N1.5%,Zr4.5%,Til.5%,余量為Cu。釬料厚度為100 μπι。
[0032]上述用于釬焊W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金的釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0033]I)按質(zhì)量百分比稱取高純度的70gMn片、45gCo顆粒、5gNi顆粒、45gAg顆粒、15Ti顆粒和820gCu顆粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20°C左右的溫度下進(jìn)行超聲清洗 20min ；
[0034]2)將步驟(I)超聲清洗后的混合物在30?50°C的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
[0035]3)將混合物Mn、Co、N1、Zr、T1、和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0036]4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為 150 μπι ;
[0037]5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械栗抽真空至1.5X103Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不低于9 X 10 5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至220?250mbar ；
[0038]6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速!^在28m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60?80s ;
[0039]7)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 30?60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅棍表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為90 μπι。
[0040]釬焊工藝步驟為:
[0041](I)準(zhǔn)備階段:對待釬焊的W-Cu復(fù)合材料和Fe基粉末合金試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W7號金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，將W-Cu復(fù)合材料、Fe基粉末合金及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗20min，并進(jìn)行烘干處理；
[0042](2)裝配階段:將清洗后的釬料箔片置于Fe基粉末合金與W-Cu復(fù)合材料待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.06MPa的恒定垂直壓力；
[0043](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5 X 10 3Pa的釬焊設(shè)備中，首先以10°C /min的速率升溫至300°C，保溫20min，再以4°C /min的速率繼續(xù)升溫至750°C，保溫時(shí)間15min，再以10 °C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1000 °C，保溫時(shí)間45min，再以3°C /min的速率冷卻至800°C，保溫時(shí)間lOmin，最后以7°C /min的速率冷卻至4500C，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0044]結(jié)果:釬焊獲得的W-Cu復(fù)合材料與Fe基粉末合金接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為676MPa。
[0045]實(shí)施例2:
[0046]W-Cu復(fù)合材料(W重量占55 %，Cu重量占4