一种钛/钢异质金属的钎焊方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种钛/钢异质金属的钎焊方法及应用，涉及钎焊技术领域。具体而言，包括如下步骤：在待焊钢基体的表面铺设金属粉，通过激光熔覆使所述金属粉与所述钢基体结合，得到具有表面构型的所述钢基体；而后将所述钢基体与待焊钛基体、钎料进行装配后进行真空钎焊。本发明专利技术方法通过构建异质结构钢基体表面，以有效改善接头内脆性金属间化合物的形成与分布，定制化制备非平直、非连续多相界面结构，提升钛/钢钎焊接头强韧性能，实现钛/钢高品质钎焊冶金连接，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种钛/钢异质金属的钎焊方法及应用


[0001]本专利技术涉及钎焊
，具体而言，涉及一种钛/钢异质金属的钎焊方法及应用。

技术介绍

[0002]钛合金具有强度高、抗蚀性好、低温性能好、导热弹性低等优势，钢是性价比最高且应用最广泛的金属之一，钛/钢复合构件构件是异质金属复合构件的典型代表，充分结合了两种材料的性能优势，可同时克服钛合金的难加工、高成本以及钢的大重量在实际生产中的应用难题，实现结构轻量化的同时兼具良好力学性能与抗腐蚀性能，是航空航天动力系统导管结构、能源化工反应器、核能反应器等高端装备不可或缺的关键构件。
[0003]但是，钛、钢之间线性热膨胀系数差异巨大，二者接头中往往产生较大残余应力，严重损害接头性能。与其它焊接方法相比，钎焊可对焊接结构整体加热，从物理层面有效缓解残余应力；然而，Fe和Ti在室温下的化学不相容性更为显著，它们之间的固溶度在室温下不足0.1％，钛/钢钎焊接头中易生成FeTi、Fe2Ti等脆硬金属间化合物的反应层，FeTi与Fe2Ti之间具有错配的晶格结构与失配的脆硬性能，平直失配的FeTi/Fe2Ti连续界面与脆性反应层因此构成钛/钢钎焊接头裂纹萌生和扩展的薄弱区域，直接导致接头脆性断裂，严重制约接头强韧性能提升。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种钛/钢异质金属的钎焊方法，用于解决钛和钢两种不同的焊件在焊接后容易导致接头处强韧度低、接头性能差的技术问题，并提供一种钛/钢异质金属(合金)真空钎焊接头，以避免形成连续平直失配界面与脆性金属间化合物反应层。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0006]一种钛/钢异质金属的钎焊方法包括如下步骤：在待焊钢基体的表面铺设金属粉，通过激光微尺度熔覆使所述金属粉与所述钢基体结合，得到具有表面构型的所述钢基体；而后将所述钢基体与待焊钛基体、钎料进行装配后进行真空钎焊。
[0007]本专利技术所采用的是激光微尺度熔覆制造技术；其是一种采用飞秒激光作为热源加热熔化粉体从而实现熔覆制造的技术，具有微观局部加热，能量密度高、尺寸精准等优点。本专利技术通过激光微尺度熔覆制造技术在钢基体表面熔覆一定几何结构的金属粉体，制备异质结构钢基体表面，并基于异质结构钢基体表面与钛基钎料的冶金反应，构建非平直、非连续的多相界面结构，从而提升钛/钢异质钎焊接头的强韧性能。
[0008]优选地，所述表面构型包括点阵式和行列式；
[0009]更优选地，所述表面构型可选地包括有如下特征：(a)所述表面构型的高度为30μm～50μm；(b)所述点阵式的点间隔为35μm～75μm；(c)所述行列式的行间距为35μm～75μm；
[0010]进一步优选地，对于特征(a)：所述表面构型的高度包括但不限于30μm、32μm、35μ
m、40μm、45μm、50μm；(b)所述点阵式的点间隔包括但不限于35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm；(c)所述行列式的行间距包括但不限于35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm。
[0011]需要注意的是，在进行实际操作过程中，所述铺设金属粉及所述激光熔覆通常需要重复进行若干次，直至得到预设的表面构型；即所述点阵式或所述行列式的厚度或形貌无法通过一次性熔覆实现，本领域技术人员能够通过上述表面构型的参数特征调整具体操作的次数及每次实施的过程参数。
[0012]优选地，所述金属粉为纳米级；所述金属粉可以选择独立的纳米级铜粉或纳米级镍粉，也可以选择纳米级铜粉与纳米级镍粉以任意比例的混合；
[0013]更优选地，所述金属粉的纯度≥99.9％，进一步优选时采用纯度为99.99％的所述金属粉；
[0014]更优选地，所述金属粉的粒径包括但不限于25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm。
[0015]优选地，所述激光微尺度熔覆通过飞秒激光加工设备进行；具体而言，将钢基体固定在3D位移平台上，调节位移平台至飞秒激光焦距位置，通过飞秒激光加工平台对铺设的熔覆金属粉体进行聚焦熔覆，使熔覆金属粉体与钢基体相结合；
[0016]所述飞秒激光加工平台包括飞秒激光放大系统、共聚焦显微系统、3D位移平台和控制系统四部分,其中：所述飞秒激光放大系统包括半波片、偏振分束棱镜和电子快门构成，为加工平台提供光源；所述共聚焦显微系统由电子耦合器件、发光二极管和物镜构成，以对加工平台进行实时观察；所述飞秒激光放大系统、所述共聚焦显微系统和所述3D位移平台与所述控制系统相连，通过所述控制系统调整激光镜头中聚焦元件之间的距离和激光单脉冲能量控制激光光斑直径和熔覆金属尺寸，完成对钢基体的精确定位熔覆；
[0017]更优选地，所述飞秒激光包括如下特征：中心波长为1040nm，功率为8W，脉冲宽度为200fs，重复频率为50MHz，光斑直径为16μm～18μm；
[0018]更优选地，所述激光熔覆在氩气氛围中进行；所述激光熔覆的气压为标准大气压，含氧量≤10ppm。
[0019]优选地，进行表面构型前还包括对所述钢基体进行预处理，所述预处理包括依次进行的打磨、洗涤和干燥；更优选地，将所述钢基体用600目砂纸打磨平整后，在丙酮内超声清洗15min，而后干燥。
[0020]优选地，进行钎焊前还包括对所述钛基体和所述钢基体进行第二次预处理，所述第二次预处理包括依次进行的打磨、抛光、洗涤和干燥；更优选地，通过600目的耐水砂纸对两种基体的待焊表面打磨平整后，再使用金刚石研磨液对其表面抛光，而后置于丙酮中超声清洗15min，最后干燥。
[0021]优选地，所述钢基体包括316L不锈钢、316不锈钢或304不锈钢；
[0022]优选地，所述钛基体包括TC4钛合金(Ti6Al4V,wt.％)或TiAl合金(Ti
‑
48Al
‑
2Cr
‑
2Nb,at.％)；
[0023]优选地，所述钎料包括钛基钎料，优选地，所述钛基钎料包括Ti
33.3
Zr
16.7
Cu
39
Ni
11
。
[0024]优选地，所述真空钎焊的压力≤5
×
10
‑3Pa；
[0025]优选地，所述真空钎焊的控温包括第一阶段和第二阶段，其中，所述第一阶段以10
℃/min的速度升温至750℃～800℃，而后保温3min～10min，所述第二阶段以3℃/min～8℃/min的速度升温至930℃～990℃，而后保温3min～60min；
[0026]更优选地，所述第二阶段的保温结束后，焊件随炉温恢复至室温。
[0027]优选地，所述装配包括：将所述钢基体、所述钎料和所述钛基体由下至上进行装配，其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛/钢异质金属的钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：在待焊钢基体的表面铺设金属粉，通过激光熔覆使所述金属粉与所述钢基体结合，得到具有表面构型的所述钢基体；而后将所述钢基体与待焊钛基体、钎料进行装配后进行真空钎焊。2.根据权利要求1所述的钛/钢异质金属的钎焊方法，其特征在于，所述表面构型包括点阵式和行列式；优选地，所述表面构型的高度为30μm～50μm；优选地，所述点阵式的点间隔为35μm～75μm；优选地，所述行列式的行间距为35μm～75μm。3.根据权利要求1所述的钛/钢异质金属的钎焊方法，其特征在于，所述金属粉为纳米级；所述金属粉包括铜粉和镍粉中的至少一种；优选地，所述金属粉的纯度≥99.9％；优选地，所述金属粉的粒径为25nm～75nm。4.根据权利要求1所述的钛/钢异质金属的钎焊方法，其特征在于，所述激光熔覆通过飞秒激光加工设备进行；优选地，所述飞秒激光包括如下特征：中心波长为1040nm，功率为8W，脉冲宽度为200fs，重复频率为50MHz，光斑直径为16μm～18μm；优选地，所述激光熔覆在氩气氛围中进行。5.根据权利要求1所述的钛/钢异质金属的钎焊方法，其特征在于，进行表面构型前还包括对所述钢基体进行预处理；优选地，所述预处理包括依次进行的打磨、洗涤和干燥；更优选地，所述洗涤通过丙酮进行。6.根据权利要求1所述的钛/钢异质金属的钎焊方法，其特征在于，进行真空钎焊前还包括对所述钛基体和所述钢基体进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏月庆，马壮，纠永涛，李帅，胡建军，周培林，张秀丽，秦建，方乃文，
申请(专利权)人：郑州机械研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：