一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法

專利名稱：一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接金屬鈦合金與銅合金的方法。
技術背景現代科學技術的發展，往往要求同一構件的不同部位承受不同的工作條件，用單一的金 屬材料制造這樣的構件不僅不經濟，而且有時是不可能的。如果能把幾種不同金屬組合成構 件并盡可能使構件不同部位上的金屬是能夠承受相應工作條件的最佳材科，就可以揚長避 短，最大限度地發揮各種材料的潛力。鈦合金作為一種重要的結構材料，具有比重小、強度高、耐熱和耐蝕性好等優點，在航 空、航天、石化、醫療等領域得以廣泛應用，但由于價格昂貴，限制了進一步推廣應用。銅 合金具有良好的延展性和加工性，而且電導率高、導熱性好，但在抗氧化性、熔點及硬度方 面的不足阻礙了其應用。因此，研究鈦合金與銅合金的連接技術，充分發揮二者各自的性能 優勢，是進一步拓寬鈦、銅合金應用領域的有效途徑之一。例如，鈦-銅復合材料作為一種金 屬陽極的主要部件，可將鈦合金的耐腐蝕性和銅合金的良好導電性融為一體，能代替傳統的 石墨陽極，使其壽命提高10倍以上，節能20%以上。擴散焊是連接異種金屬和合金的一種行之有效的方法，與其它焊接方法相比，它具有焊 接接頭的質量好、焊件整體變形小、操作過程簡單、工藝參數易調易控等優點。但是，鈦合 金與銅合金之間由于熔點、熱導率、熱膨脹系數等物理性能存在較大差異，而且二者的晶格 類型不同，原子半徑也相差很多，鈦合金與銅合金的直接接觸擴散焊難以實現可靠連接，焊接時產生的問題主要有鈦與銅的互溶性小，易形成多種脆性的金屬間化合物，使接頭脆性增加；鈦與銅高溫時 的吸氫能力都很強，易產生脆性氫化物，會顯著降低焊接接頭的塑性和韌性；鈦與銅的熱膨 脹系數相差近一倍，焊接時會產生較大的應力，獲得的焊件極易發生開裂現象；鈦與銅均易 氧化，氧化膜會削弱鈦與銅之間的界面結合能力。 發明內容為解決直接擴散焊技術在連接鈦與銅時存在的問題，本發明提供一種利用鈮中間層擴散 焊接鈦合金與銅合金的方法，該方法可實現鈦合金與銅合金的高強度連接。為了實現上述目的，本發明的技術方案是 一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，包括以下步驟1) 選擇鈮箔或鈮粉作為連接鈦合金片與銅合金片的中間層，清潔鈦合金片和銅合金片的 待焊面；2) 將鈮中間層置于鈦合金片與銅合金片之間，整體放入石墨模具中，然后將石墨模具移 入真空焊接爐內，放置于爐內的石墨上壓頭和石墨下壓頭之間，并施加0.5 2MPa的預壓力 壓實；3) 對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5xl(^Pa時，開始加熱，升溫至700-850 。C后 保溫30 60min,升溫速率為2~10 。C /min，并在保溫前施加5~10MPa的軸向壓力；達到保 溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。所述的鈮中間層(鈮箔或鈮粉)的厚度為50~100 ):mi。 所述的鈮箔、鈮粉的純度29%，鈮粉的平均粒度為5~20 pm。 所述的鈦合金圓片為Ti-6A1-4V合金、Ti-5Al-2.5Sn合金或Ti-13V-llCr-3Al合金。 所述的銅合金圓片為無氧銅、青銅、黃銅或白銅。本發明通過在鈦合金與銅合金之間加入鈮中間層進行真空擴散焊接， 一方面，可防止鈦 合金與銅合金直接連接時脆性金屬間化合物的生成，提高接頭的韌性和結合強度；另一方面， 鈮的熱膨脹系數和熱導率等物理性能介于鈦合金與銅合金之間，它在鈦、銅合金之間起到緩 解接頭應力和減少接頭形變的作用，因而能有效提高接頭強度。利用本發明的制備方法，可 實現多種鈦、銅合金的高強度連接。例如，采用50 pm的Nb箔作為中間層，擴散悍接Ti-6A1-4V 合金和無氧銅的焊件接頭的抗拉強度達到107 MPa，比未加Nb箔的直接焊接體的強度高出 40 MPa。


圖1是本發明擴散焊接鈦合金與銅合金的裝配示意圖；圖2是本發明加入鈮箔中間層后擴散悍接鈦合金(Ti-6A1-4V)和銅合金(無氧銅)的連 接界面的顯微結構圖；圖3是直接擴散焊接鈦合金(Ti-6A1-4V)和銅合金(無氧銅)的連接界面的顯微結構圖； 圖中l-石墨上壓頭；2-上阻焊層；3-石墨圓形外套；4-石墨下壓頭；5-真空焊接爐下壓頭；6-真空焊接爐上壓頭；7-鈦合金片；8-鈮中間層；9-銅合金片；10-下阻焊層。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不 僅僅局限于下面的實施例。實施例l:鈦合金(Ti-6A1-4V)與銅合金(無氧銅)的連接，一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，包括以下步驟1) 焊接前工件的表面清理選擇鈮箔作為連接Ti-6Al-4V合金和無氧銅圓片的中間層，鈮中間層為純度99%、厚度50)am、直徑25 mm;焊件是直徑25 mm的Ti-6A1-4V合金和無 氧銅圓片；將Ti-6A1-4V合金、無氧銅圓片和鈮箔的待焊表面用平面磨床、研磨機等設備加 工平整，然后用粒度分別為1000#、 1500#和2000#的金相砂紙逐級打磨光滑；然后用去離子 水將Ti-6A1-4V合金、無氧銅圓片和鈮箔沖洗干凈，并用丙酮超聲波清洗10min，備用。2) 焊件裝配、入爐如圖1所示，將鈮中間層8置于鈦合金片7 (Ti-6A1-4V合金)和 銅合金片9 (無氧銅圓片)之間，將無氧銅圓片置于底層，然后放置鈮中間層，最上邊是 Ti-6A1-4V合金；將組裝好的工件整體放入石墨模具中，放置于石墨上壓頭1和石墨下壓頭4 之間，在石墨上壓頭1與鈦合金片7之間放置上阻焊層2，在石墨下壓頭4與銅合金片9之 間放置下阻焊層10;然后將裝配好的焊件放于真空焊接爐內的真空焊接爐上壓頭6和真空焊 接爐下壓頭5之間并施加0.5MPa的預壓力壓實。圖l中標號3為石墨模具的石墨圓形外 套。上阻焊層2、下阻焊層10分別是直徑25mm、厚度1.5 mm的石墨墊片。3) 真空擴散焊、出爐對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5x10—3 Pa時，開始加熱， 先以10 。C/min的升溫速率升溫至800 。C，然后以2 。C/min升至850 。C，保溫30 min，在 保溫前施加5MPa的軸向壓力；達到保溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。圖2是加入鈮中間層后擴散焊接Ti-6A1-4V合金和無氧銅的連接界面的顯微結構，與直 接擴散焊接的接頭界面(圖3)相比，加入鈮箔后，焊接接頭的界面清晰、平整，形變量小， 而且不存在明顯的脆性金屬間化合物過渡層。抗拉強度測試實驗表明，加入鈮中間層的焊接 接頭強度達到107 MPa，比未加Nb箔的直接焊接體的強度高出40 MPa。 實施例2:鈦合金(Ti-6A1-4V)與銅合金(青銅)的連接， 一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，包括以下步驟1) 焊接前工件的表面清理選擇鈮箔作為連接Ti-6Al-4V合金和青銅圓片的中間層，鈮 中間層為純度99%、厚度100 nm、直徑25 mm;焊件是直徑25 mm的Ti-6A1-4V合金和青 銅圓片；將Ti-6A1-4V合金、青銅圓片和鈮箔的待焊表面用平面磨床、研磨機等設備加工平 整，然后用粒度分別為1000#、 1500#和2000#的金相砂紙逐級打磨光滑；然后用去離子水將 Ti-6A1-4V合金、青銅圓片和鈮箔沖洗干凈，并用丙酮超聲波清洗10min，備用。2) 焊件裝配、入爐將鈮中間層置于Ti-6Al-4V合金和青銅圓片之間，將青銅圓片置于底層，然后放置鈮中間層，最上邊是Ti-6Al-4V合金；將組裝好的工件整體放入石墨模具中，放置于石墨上壓頭和石墨下壓頭之間，在石墨上壓頭與鈦合金片(Ti-6A1-4V合金)之間放置上阻焊層，在石墨下壓頭與銅合金片(青銅圓片)之間放置下阻焊層；然后將裝配好的焊件放于真空焊接爐內的真空焊接爐上壓頭和真空焊接爐下壓頭之間并施加2 MPa的預壓力壓 實。上阻焊層、下阻焊層分別是直徑25mm、厚度1.5 mm的石墨墊片。3)真空擴散焊、出爐對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5x10-3 Pa時，開始加熱， 先以10 。C /min的升溫速率升溫至650 。C,然后以2 。C /min升至700 。C，保溫60 min，在 保溫前施加10MPa的軸向壓力；達到保溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。 實施例3:鈦合金(Ti-5Al-2.5Sn)與銅合金(黃銅)的連接， 一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，包括以下步驟1) 焊接前工件的表面清理選擇鈮粉作為連接Ti-5Al-2.5Sn合金和黃銅圓片的中間層， 鈮中間層為純度99%、平均粒度5nm，鋪層厚度100pm、直徑25 mm;焊件是直徑25 mm 的Ti-5Al-2.5Sn合金和黃銅圓片，將Ti-5Al-2.5Sn合金和黃銅圓片的待焊表面用平面磨床、 研磨機等設備加工平整，然后用粒度分別為1000#、 1500#和2000#的金相砂紙逐級打磨光滑； 然后用去離子水將Ti-5Al-2.5Sn合金、黃銅圓片沖洗干凈，并用丙酮超聲波清洗10 min，備 用。2) 焊件裝配、入爐將鈮中間層(鈮粉)置于Ti-5Al-2.5Sn合金和黃銅圓片之間，將黃 銅圓片置于底層，然后放置鈮中間層，最上邊是Ti-5Al-2.5Sn合金；將組裝好的工件整體放 入石墨模具中，放置于石墨上壓頭和石墨下壓頭之間，在石墨上壓頭與鈦合金片(Ti-5Al-2.5Sn 合金)之間放置上阻焊層，在石墨下壓頭與銅合金片(黃銅圓片)之間放置下阻焊層；然后 將裝配好的焊件放于真空焊接爐內的真空焊接爐上壓頭和真空焊接爐下壓頭之間并施加0.5 MPa的預壓力壓實。上阻焊層、下阻焊層分別是直徑25mm、厚度1.5 mm的石墨墊片。3) 真空擴散焊、出爐對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5x10—3 Pa時，開始加熱， 先以10 °C /min的升溫速率升溫至800 。C，然后以2 °C /min升至850 。C，保溫30 min，在 保溫前施加5MPa的軸向壓力；達到保溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。實施例4:鈦合金(Ti-13V-llCr-3Al)與銅合金(白銅)的連接， 一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，包括以下步驟1) 悍接前工件的表面清理選擇鈮粉作為連接Ti-13V-llCr-3Al合金和白銅圓的中間層， 鈮中間層為純度99%、平均粒度20 nm，鋪層厚度50 pm、直徑25 mm;焊件是直徑為25 mm 的T卜13V-llCr-3Al合金和白銅圓片，將Ti-13V-llCr-3Al合金和白銅圓片的待焊表面用平面 磨床、研磨機等設備加工平整，然后用粒度分別為1000#、 1500#和2000#的金相砂紙逐級打 磨光滑；然后用去離子水將Ti-13V-llCr-3Al合金和白銅圓片沖洗干凈，并用丙酮超聲波清 洗10min，備用。2) 焊件裝配、入爐將鈮中間層(鈮粉)置于Ti-13V-llCr-3Al合金和白銅圓片之間，將白銅圓片置于底層，然后放置鈮中間層，最上邊是Ti-13V-llCr-3Al合金；將組裝好的工 件整體放入石墨模具中，放置于石墨上壓頭和石墨下壓頭之間，在石墨上壓頭與鈦合金片 (Ti-13V-llCr-3Al合金)之間放置上阻焊層，在石墨下壓頭與銅合金片(白銅圓片)之間放 置下阻焊層；然后將裝配好的焊件放于真空焊接爐內的真空焊接爐上壓頭和真空焊接爐下壓 頭之間并施加2 MPa的預壓力壓實。上阻焊層、下阻焊層分別是直徑25 mm、厚度1.5 mm 的石墨墊片。3)真空擴散焊、出爐對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5x10—3 Pa時，開始加熱， 先以10 。C /min的升溫速率升溫至650 。C，然后以2 。C /min升至700 °C，保溫60 min，在 保溫前施加10MPa的軸向壓力；達到保溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。
權利要求
1.一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，其特征在于它包括以下步驟1)選擇鈮箔或鈮粉作為連接鈦合金片與銅合金片的中間層，清潔鈦合金片和銅合金片的待焊面；2)將鈮中間層置于鈦合金片與銅合金片之間，整體放入石墨模具中，然后將石墨模具移入真空焊接爐內，放置于爐內的石墨上壓頭和石墨下壓頭之間，并施加0.5～2MPa的預壓力壓實；3)對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5×10-3Pa時，開始加熱，升溫至700～850℃后保溫30～60min，升溫速率為2～10℃/min，并在保溫前施加5～10MPa的軸向壓力；達到保溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。
2. 根據權利要求1所述的一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，其特征 在于所述的鈮中間層的厚度為50 100pm。
3. 根據權利要求1所述的一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，其特征 在于所述的鈮箔、鈮粉的純度29%，鈮粉的平均粒度為5 20pm。
4. 根據權利要求1所述的一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，其特征 在于所述的鈦合金圓片為Ti-6A1-4V合金、Ti-5Al-2.5Sn合金或Ti-13V-llCr-3Al合金。
5. 根據權利要求1所述的一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，其特征 在于所述的銅合金圓片為無氧銅、青銅、黃銅或白銅。
全文摘要
本發明涉及一種焊接金屬鈦合金與銅合金的方法。一種利用鈮中間層擴散焊接鈦合金與銅合金的方法，其特征在于它包括以下步驟1)選擇鈮箔或鈮粉作為連接鈦合金片與銅合金片的中間層，清潔鈦合金片和銅合金片的待焊面；2)將鈮中間層置于鈦合金片與銅合金片之間，整體放入石墨模具中，然后將石墨模具移入真空焊接爐內，并施加0.5～2MPa的預壓力壓實；3)對真空焊接爐抽真空，當真空度大于5×10^-3Pa時，開始加熱，升溫至700～850℃后保溫30～60min，升溫速率為2～10℃/min，并在保溫前施加5～10MPa的軸向壓力；達到保溫時間后，開始降溫、卸除壓力并隨爐冷卻。該方法可實現鈦合金與銅合金的高強度連接。適合于多種鈦、銅合金的高強度連接。
文檔編號B23K20/24GK101254572SQ20081004671
公開日2008年9月3日 申請日期2008年1月17日 優先權日2008年1月17日
發明者張聯盟, 浩 曾, 強 沈, 王傳彬, 羅國強 申請人:武漢理工大學