一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料及其制备方法，适用于钛合金、陶瓷、不锈钢、金属间化合物等同种或异种材料的钎焊连接。所述钛锆基非晶合金钎料成分为TiaZrbCucNidEeGf，E为Co或Fe或Co和Fe，G为Al或Sn或Al和Sn；其中a、b、c、d、e和f的原子百分比之和为100，40≤a≤60，18≤b≤40，5≤c≤12，1≤d≤8，2≤e≤10，2≤f≤8。该钛锆基非晶合金钎料在低Cu和Ni含量的条件下，表现出良好的非晶形成能力，同时具有钎焊接头力学性能、耐腐蚀性能好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钛锆基非晶合金钎料，更特别地说，是指一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料及其制备方法。
技术介绍
非晶合金具有原子排列长程无序、短程有序的亚稳态结构特征，表现出独特的力学、物理和化学性能，作为一种新型金属材料得到了广泛关注，其重要应用之一是用作材料钎焊连接时的钎料。现有非晶合金钎料主要包括镍基、钛基、铜基等合金系。其中，钛基非晶合金钎料活性高，所获得的钎焊接头耐蚀性好，钎焊工艺性能良好，在钛合金、金属间化合物、功能陶瓷等新型材料钎焊连接方面表现出较大的优势。现有钛基非晶合金钎料中含有较多的Cu、Ni作为主要的降熔元素，并且Cu、Ni元素也有利于钛基非晶合金的形成。但是，较多的Cu和Ni元素使得钛合金钎焊接头在钎焊过程中产生大量的脆性金属间化合物，降低钎焊接头的力学性能。因此，开发一种低Cu和Ni含量的新型钛基非晶合金钎料，对于丰富非晶合金钎料体系具有十分重要的意义。授权公告号为CN103286473B的专利公开了一种低Cu和Ni含量的TiZr基非晶合金钎料及其制备方法，适用于钛合金、钛铝金属金化合物、钢、陶瓷等自身或异种材料的钎焊连接。采用该系非晶合金钎料获得的Ti-6Al-4V(简称TC4，下同)合金钎焊接头平均抗剪切强度可达413MPa。虽然钎焊接头抗剪切得到提高，但是钎料成分中含0.1～2wt％的Si元素，在钛合金的焊接过程中Si元素扩散至钎焊接头中心并发生富集。因此，为了进一步提高钎焊接头的性能，迫切需要开发低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低Cu和Ni含量且不含Si元素，同时具有适当的熔化温度区间，钎焊接头性能好，不含贵金属、有毒元素的新型钛锆基非晶合金钎料，解决现有技术中钛锆基非晶合金钎料Cu、Ni含量高导致钎焊接头力学性能较差以及Si元素扩散产生富集等问题。本专利技术是一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其成分涉及Ti、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al、Sn等金属元素。钛锆基非晶合金钎料组成为TiaZrbCucNidEeGf，E为Co或Fe或Co和Fe，G为Al或Sn或Al和Sn，a、b、c、d为原子百分比，e为Co和Fe的原子百分比之和，f为Al和Sn的原子百分比之和，其中a+b+c+d+e+f＝100，40≤a≤60，18≤b≤40，5≤c≤12，1≤d≤8，2≤e≤10，2≤f≤8。新型钛锆基非晶合金钎料在Cu、Ni含量低于20％(原子百分比，下同)的条件下，具有适当的熔化温度范围以满足钛合金等材料的钎焊温度要求；同时该钎料为非晶结构，以确保钎料具有成分、结构的均匀性；成带性好、柔韧性好，适用于精密零件的焊接。本专利技术至少含有六种元素，且组成元素之间存在较大的负的混合热，造成原子间较强的相互作用使得熔体中原子移动减慢，过冷液体更加稳定，从而抑制了晶化，促进了非晶结构的形成。该合金由大原子尺寸的Zr、中等原子尺寸的Ti、Al、Sn及小原子尺寸的Cu、Ni、Co、Fe构成，组元间较大的原子尺寸差异使得原子长程扩散的难度增大，原子紧密堆积程度提高，因此更容易形成非晶态。同时，合金中存在原子尺寸相近、化学性质相似的元素Ti-Zr、Cu-Ni、Ni-Co和Co-Fe，进一步提高了合金的混合熵。因此，虽然Cu和Ni的总含量低于20％，本专利技术钛锆基钎料仍可具有较高的非晶形成能力，可通过快速凝固技术获得非晶态结构。另一方面，Ti的熔点为1660℃，为了获得较低熔点的钛锆基钎料，需要添加其它元素以降低熔点，从而满足材料对钎焊温度的要求。本专利技术钛锆基非晶合金钎料含有合金元素Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al、Sn。Zr可以与Ti无限固溶，Sn在Ti中也有很大的固溶度，均对Ti起强化作用。Cu、Ni、Co、Fe是β稳定元素，可以与Ti发生共析反应生成金属间化合物，但是钛锆基非晶合金钎料中上述元素含量少，可以有效减少金属间化合物的生成。Al是α稳定元素，可以起到强化α钛的作用。本专利技术制备一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料的方法，其包括有下列步骤：步骤一，称取金属单质原料：依据目标成分称取质量百分比纯度不低于99.9％的金属单质原料，Ti、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al和Sn；步骤二，熔炼制备母合金：将步骤一称取的金属单质原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为4×10-3～6×10-3Pa，充入氩气作为保护气；采用电弧加热的方式熔炼合金至少4次，熔炼电流为320～400A；待合金冷却后自熔炼设备取出，制得母合金；步骤三，采用熔体旋淬法制备非晶合金薄带：采用机械破碎的方式将步骤二制备的母合金破碎并预置于石英管中，并整体置于液体急冷凝固设备中，调节石英管最底端与铜轮表面相距1.5～5mm；将液体急冷凝固设备腔体内抽真空至真空度为9×10-2Pa，然后充入氩气作为保护气；调节液体急冷凝固设备的铜轮转速25～45m/s、喷射压力0.03～0.06MPa、气体剥离压力0.02～0.04MPa，其中喷射气体、剥离气体均采用高纯氩气。本专利技术低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料的有益效果是：(1)Cu和Ni含量低，原子百分比之和低于20％，钎焊接头处生成脆性金属间化合物少，有利于提高钛合金钎焊接头的力学性能。(2)非晶合金钎料中不含Si元素，仍表现出良好的润湿性；同时，避免了其在钛合金钎焊接头中心的富集，与含Si钎料相比，进一步提高了钎焊接头的抗剪切强度(为460±7MPa)和耐腐蚀性能(自腐蚀电位-0.342V；自腐蚀电流密度3.33×10-8A/cm2)，降低了钎焊接头的硬度(386～429HV)，提高了接头韧性。(3)多种合金元素的微量添加使合金既表现出良好的非晶形成能力又具有较低的液相线温度，非晶钎料薄带厚度均匀、连续、具有平整的表面和边缘以及良好的柔韧性，满足钛合金、陶瓷、不锈钢、金属间化合物等同种或异种材料的钎焊连接要求。附图说明图1为实施例1中Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn3非晶合金钎料薄带的外观及经180度对折后展开的对比图片。图2为本专利技术实施例1与实施例2非晶合金钎料的X射线衍射图谱。图3为本专利技术实施例1与实施例2非晶合金钎料的DSC曲线。图4为实施例1中采用Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn3非晶合金钎料在钎焊温度930℃、保温时间15min(简写为930℃/15min，下同)真空钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头的背散射电子像。图5为实施例1中采用Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn3非晶合金钎料在930℃/15min真空钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头中Ti、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al、Sn元素的面分布图。图6为本专利技术Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn3非晶合金钎料与Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn2Si1非晶合金钎料在930℃/15min真空钎焊工艺下获得的TC4合金钎焊接头在3.5wt％的NaCl溶液中的极化曲线。图7为本专利技术Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn3非晶合金钎料与Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其特征在于：其成分涉及Ti、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al、Sn等金属元素；钛锆基非晶合金钎料组成为TiaZrbCucNidEeGf，E为Co或Fe或Co和Fe，G为Al或Sn或Al和Sn，a、b、c、d为原子百分比，e为Co和Fe的原子百分比之和，f为Al和Sn的原子百分比之和，其中a+b+c+d+e+f＝100，40≤a≤60，18≤b≤40，5≤c≤12，1≤d≤8，2≤e≤10，2≤f≤8。

【技术特征摘要】
1.一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其特征在于：其成分涉及Ti、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al、Sn等金属元素；钛锆基非晶合金钎料组成为TiaZrbCucNidEeGf，E为Co或Fe或Co和Fe，G为Al或Sn或Al和Sn，a、b、c、d为原子百分比，e为Co和Fe的原子百分比之和，f为Al和Sn的原子百分比之和，其中a+b+c+d+e+f＝100，40≤a≤60，18≤b≤40，5≤c≤12，1≤d≤8，2≤e≤10，2≤f≤8。2.根据权利要求1所述的一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其特征在于：其成分涉及Ti、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Al、Sn等金属元素；钛锆基非晶合金钎料组成为TiaZrbCucNidEeGf，E为Co或Fe或Co和Fe，G为Al或Sn或Al和Sn，a、b、c、d为原子百分比，e为Co和Fe的原子百分比之和，f为Al和Sn的原子百分比之和，其中a+b+c+d+e+f＝100，45≤a≤55，30≤b≤35，8≤c≤10，4≤d≤6，3≤e≤6，2≤f≤6。3.根据权利要求1所述的一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其特征在于：钛锆基非晶合金钎料组成为Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn3。4.根据权利要求1所述的一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其特征在于：钛锆基非晶合金钎料组成为Ti55Zr24Cu8Ni4Co3Al5Sn1。5.根据权利要求1所述的一种低Cu和Ni含量且不含Si元素的钛锆基非晶合金钎料，其特征在于：钛锆基非晶合金钎料组成为Ti42Zr35Cu1...

【专利技术属性】
技术研发人员：逄淑杰，张涛，孙璐璐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11