CN114029571A - 一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，属于异种材料连接技术领域。具体方法为：首先制备NiCu多孔合金薄片，然后对待焊的石墨和钛合金，以及NiCu多孔合金薄片和钎料进行去除氧化膜和清洗，再对其进行装配得到夹层结构的待焊组件，将组件放入真空炉中进行真空钎焊，冷却得到石墨与钛合金连接的焊件。本发明可解决石墨与钛合金的热膨胀系数相差大、接头残余应力大和易开裂等问题，提高接头的力学性能，顺利实现石墨与钛合金的连接。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法。该方法具有成本低、操作简单、连接强度高及性能稳定等诸多优点。
背景技术
为满足某些特殊需求或充分发挥材料的性能需要将石墨与钛合金组合使用，在石墨与钛合金的连接过程中，由于石墨与钛合金热膨胀系数差异很大，形成的焊接残余应力问题。焊接残余应力降低了焊接接头的力学性能和使用性能，严重时可导致焊接接头直接开裂，使接头失效。因此，如何缓解钎焊接头中的残余应力成为石墨与钛合金焊接中的难点。可以通过中间层的方法来缓解接头残余应力，多孔中间层一般采用钎料中间置入具有吸能特性多孔中间层的方式组成复合中间层。由于中间层本身的强度一般较低，并且夹层与钎料的结合强度有限，导致该方法的研究并不多。
综上所述，设计一种简单易行、经济性好的中间层的方法来缓解钎焊接头残余应力、提高焊接接头力学性能成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明是要解决现有石墨与钛合金钎焊的接头残余应力巨大的问题，提供了一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法。
本发明一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，是按照如下步骤进行：
一、NiCu多孔合金中间层薄片制备：
(1).粉末配制：将Ni粉和Cu粉按40％-60％：60％-40％的质量百分比配好；
(2).粉末混合：将配合的粉末放入放在V型混粉机上匀速混合12～16h。
(3).薄片成型：将混合好的粉末依次加入适量的吐温、聚乙二醇、甘油、PVB和酒精作为粘结剂将粉末调成粘稠的糊状，然后采用涂膜器，在平板上涂成300μm-500μm厚度的薄片，自然风干24h。
(4).薄片烧结：将风干好的薄片放入真空炉中按照指定工艺烧结，烧结工艺为：保持10～15℃/min的升温速度从室温升至300～400℃，保温30-60min；再以10～12℃/min的升温速度升温至500～600℃，保温30-60min；然后以5～8℃/min的升温速度升温至880～920℃并在该温度下保温60～90min，最后随炉冷却至室温，即得到所述的NiCu多孔合金中间层薄片。
二、去除石墨和钛合金表面的氧化膜和油污：对步骤一得到的NiCu多孔合金薄片和石墨和钛合金进行超声清洗；然后将石墨与钛合金与NiCu多孔合薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；
三、钎焊连接：将步骤二的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，施加5-10KPa焊接压力，然后将真空钎焊炉中真空度抽至1×10-3Pa以下，再以加热速率为10～15℃/min的速度加热至860℃-920℃保温10～20min，然后随炉冷却至室温，即完成钎焊。
本发明的有益效果是：
通过设计多孔合金中间层的元素配比、孔隙率与厚度，相比于单质的多孔金属层，由于Ni和Cu是无限固溶体，可以认为在烧结过程中，薄片进行了一定程度的合金化。NiCu合金中间层具有力学性能优异、机械强度高、韧性好、耐高温、耐磨损和使用寿命长等优点，多孔合金中间层可以缓解接头残余应力大小和分布，降低接头残余应力峰值，提高焊接接头力学性能。多孔金属中间层变形能力强，可以通过变形释放部分焊接残余应力，提高焊接接头的力学性能。此外，本发明方法工艺简单环保，可批量生产。本发明中所用粉末Ni、Cu来源广泛，价格低廉，而且制备工艺简单可控，生产过程中原材料利用率高，无污染产生，可实现工业化生产。
附图说明
图1为实例1的装配示意图；
图2为实例1采用TiZrNiCu钎料、NiCu多孔中间层钎焊连接石墨与钛合金的接头微观组织图；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种利用NiCu多孔合金中间层缓解石墨与钛合金连接的方法，其具体示意图可以参阅图1，其具体制作步骤如下：
一、NiCu多孔合金中间层薄片制备：
(1).粉末配制：将Ni粉和Cu粉按4：6的质量百分比配好；
(2).粉末混合：将配合的粉末放入放在V型混粉机上匀速混合12h。
(3).薄片成型：将混合好的粉末依次加入适量的吐温、聚乙二醇、甘油、PVB和酒精作为粘结剂将粉末调成粘稠的糊状，然后采用涂膜器，在平板上涂成300μm厚度的薄片，自然风干24h。
(4).薄片烧结：将风干好的薄片放入真空炉中按照指定工艺烧结，烧结工艺为：保持10℃/min的升温速度从室温升至300℃，保温30min；再以10℃/min的升温速度升温至500℃，保温30min；然后以5℃/min的升温速度升温至880℃并在该温度下保温60min，最后随炉冷却至室温，即得到所述的NiCu多孔合金中间层薄片。
二、去除石墨和钛合金表面的氧化膜和油污：对步骤一得到的NiCu多孔合金薄片和石墨和钛合金进行超声清洗；然后将石墨与钛合金与NiCu多孔合薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；
三、钎焊连接：将步骤二的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，施加5KPa焊接压力，然后将真空钎焊炉中真空度抽至1×10-3Pa以下，再以加热速率为10℃/min的速度加热至880℃保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成钎焊。
实施例2
本实施例提供了一种利用NiCu多孔合金中间层缓解石墨与钛合金连接的方法，其具体示意图可以参阅图1，其具体制作步骤如下：
一、NiCu多孔合金中间层薄片制备：
(1).粉末配制：将Ni粉和Cu粉按5：5的质量百分比配好；
(2).粉末混合：将配合的粉末放入放在V型混粉机上匀速混合12h。
(3).薄片成型：将混合好的粉末依次加入适量的吐温、聚乙二醇、甘油、PVB和酒精作为粘结剂将粉末调成粘稠的糊状，然后采用涂膜器，在平板上涂成400μm厚度的薄片，自然风干24h。
(4).薄片烧结：将风干好的薄片放入真空炉中按照指定工艺烧结，烧结工艺为：保持12℃/min的升温速度从室温升至300℃，保温30min；再以10℃/min的升温速度升温至500℃，保温40min；然后以6℃/min的升温速度升温至900℃并在该温度下保温70min，最后随炉冷却至室温，即得到所述的NiCu多孔合金中间层薄片。
二、去除石墨和钛合金表面的氧化膜和油污：对步骤一得到的NiCu多孔合金薄片和石墨和钛合金进行超声清洗；然后将石墨与钛合金与NiCu多孔合薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；
三、钎焊连接：将步骤二的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，施加5KPa焊接压力，然后将真空钎焊炉中真空度抽至1×10-3Pa以下，再以加热速率为12℃/min的速度加热至880℃保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成钎焊。
实施例3
本实施例提供了一种利用NiCu多孔合金中间层缓解石墨与钛合金连接的方法，其具体示意图可以参阅图1，其具体制作步骤如下：
一、NiCu多孔合金中间层薄片制备：
(1).粉末配制：将Ni粉和Cu粉按6：4的质量百分比配好；
(2).粉末混合：将配合的粉末放入放在V型混粉机上匀速混合12h。
(3).薄片成型：将混合好的粉末依次加入适量的吐温、聚乙二醇、甘油、PVB和酒精作为粘结剂将粉末调成粘稠的糊状，然后采用涂膜器，在平板上涂成500μm厚度的薄片，自然风干24h。
(4).薄片烧结：将风干好的薄片放入真空炉中按照指定工艺烧结，烧结工艺为：保持13℃/min的升温速度从室温升至400℃，保温40min；再以12℃/min的升温速度升温至500℃，保温30min；然后以6℃/min的升温速度升温至910℃并在该温度下保温80min，最后随炉冷却至室温，即得到所述的NiCu多孔合金中间层薄片。
二、去除石墨和钛合金表面的氧化膜和油污：对步骤一得到的NiCu多孔合金薄片和石墨和钛合金进行超声清洗；然后将石墨与钛合金与NiCu多孔合薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；
三、钎焊连接：将步骤二的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，施加6KPa焊接压力，然后将真空钎焊炉中真空度抽至1×10-3Pa以下，再以加热速率为13℃/min的速度加热至920℃保温15min，然后随炉冷却至室温，即完成钎焊。
实施例4
本实施例提供了一种利用NiCu多孔合金中间层缓解石墨与钛合金连接的方法，其具体示意图可以参阅图1，其具体制作步骤如下：
一、NiCu多孔合金中间层薄片制备：
(1).粉末配制：将Ni粉和Cu粉按4：6的质量百分比配好；
(2).粉末混合：将配合的粉末放入放在V型混粉机上匀速混合12h。
(3).薄片成型：将混合好的粉末依次加入适量的吐温、聚乙二醇、甘油、PVB和酒精作为粘结剂将粉末调成粘稠的糊状，然后采用涂膜器，在平板上涂成500μm厚度的薄片，自然风干24h。
(4).薄片烧结：将风干好的薄片放入真空炉中按照指定工艺烧结，烧结工艺为：保持15℃/min的升温速度从室温升至300℃，保温30min；再以12℃/min的升温速度升温至500℃，保温30min；然后以7℃/min的升温速度升温至920℃并在该温度下保温80min，最后随炉冷却至室温，即得到所述的NiCu多孔合金中间层薄片。
二、去除石墨和钛合金表面的氧化膜和油污：对步骤一得到的NiCu多孔合金薄片和石墨和钛合金进行超声清洗；然后将石墨与钛合金与NiCu多孔合薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；
三、钎焊连接：将步骤二的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，施加9KPa焊接压力，然后将真空钎焊炉中真空度抽至1×10-3Pa以下，再以加热速率为15℃/min的速度加热至900℃保温20min，然后随炉冷却至室温，即完成钎焊。
对本实施例1制得的石墨和钛合金的接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，接头剪切强度为28.8MPa，达到石墨块母材自身剪切强度的175％，其它的实施实例得到类似于实例1的结果。
图2为本实施例采用NiCu多孔合金中间层组成的连接层连接所得的石墨和钛合金接头界面区域微观形貌图，从图中可以看出，连接层与石墨块和钛合金块界面结合良好，连接层均匀致密，无裂纹和孔隙等缺陷。
Claims (7)
1.一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、NiCu多孔合金中间层薄片制备：
(1).粉末配制：将Ni粉和Cu粉按40％-60％：60％-40％的质量百分比配好；
(2).粉末混合：将配合的粉末放入放在V型混粉机上匀速混合12～16h。
(3).薄片成型：将混合好的粉末依次加入适量的吐温、聚乙二醇、甘油、PVB和酒精作为粘结剂将粉末调成粘稠的糊状，然后采用涂膜器，在平板上涂成300μm-500μm厚度的薄片，自然风干24h。
(4).薄片烧结：将风干好的薄片放入真空炉中进行烧结，烧结工艺为：以10～15℃/min的升温速度从室温升至300～400℃，保温30-60min；再以10～12℃/min的升温速度升温至500～600℃，保温30-60min；然后以5～8℃/min的升温速度升温至880～920℃并在该温度下保温60～90min，最后随炉冷却至室温，即得到所述的NiCu多孔合金中间层薄片。
二、去除石墨和钛合金表面的氧化膜和油污：对步骤一得到的NiCu多孔合金薄片和石墨和钛合金进行超声清洗；然后将石墨与钛合金与NiCu多孔合薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；
三、钎焊连接：将步骤二的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，将真空钎焊炉中真空度抽至1×10-3Pa以下，再以加热速率为10～15℃/min的速度加热至860℃-920℃保温10～20min，施加5-10KPa焊接压力，然后随炉冷却至室温，即完成钎焊。
2.根据权利要求1所述的一种NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，其特征在于步骤一中的金属粉末为粒度150-280目的高纯度Cu粉与Ni粉。
3.根据权利要求1所述的一种NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，其特征在于步骤一中的NiCu多孔合金薄片中的多孔中间层属于合金中间层。
4.根据权利要求1所述的一种NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，其特征在于步骤二中去除石墨与钛合金表面的氧化膜和油污的方法为：依次按照200#、400#、600#、800#和1000#顺序用砂纸将试件的待焊表面手工逐级磨光，然后依次用丙酮和乙醇溶液超声清洗20～30min。
5.根据权利要求1所述的NiCu多孔合金中间层，其特征在于步骤二中将石墨与钛合金、NiCu多孔合金中间层和钎料按照石墨、钎料、NiCu多孔合金中间层、钎料和钛合金的顺序进行组装。
6.根据权利要求1所述的NiCu多孔合金中间层，其特征在于步骤二中所述钎料为银铜钛、BNi2、钛锆镍铜三者中的任意组合。
7.根据权利要求1所述的一种NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法，其特征在于步骤三中冷却速率为5～8℃/min。
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| CN202111471770.0A Pending CN114029571A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种利用NiCu多孔合金中间层钎焊石墨与钛合金的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114029571A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115625394A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-01-20 | 中国机械总院集团北京机电研究所有限公司 | 一种大尺寸石墨/铜异种材料接头活性钎焊方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5076484A (en) * | 1990-03-29 | 1991-12-31 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Joining structure of a turbine rotor |
| US5580670A (en) * | 1993-09-14 | 1996-12-03 | Schwarzkopf Technologies Corporation | Heavily thermally stressable component |
| CN103143805A (zh) * | 2013-03-25 | 2013-06-12 | 哈尔滨工业大学 | 一种缓解钎焊接头残余应力的方法 |
| CN103990880A (zh) * | 2014-06-06 | 2014-08-20 | 哈尔滨工业大学 | 可形成互穿网络结构钎缝的非金属材料与金属材料的钎焊方法 |
| CN111151864A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-15 | 吉林大学 | 连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺 |
| CN113600957A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-05 | 合肥工业大学 | 一种复合中间层及其钎焊碳化硼复合陶瓷与钛合金的方法 |
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2021
- 2021-12-03 CN CN202111471770.0A patent/CN114029571A/zh active Pending
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