本發明涉及用于釬焊nb基高溫合金的釬料制備和釬焊方法，屬于焊接材料領域。

背景技術：

nb-ti高溫合金是一種新型的具有體心立方結構的(βti,nb)固溶體合金，其具有比鎳基合金更高的熔點，良好的室溫塑性和中溫強度。nb-ti合金不僅力學性能好，而且在nb中加入大量的ti可大大提高nb合金的抗氧化性能。根據ti加入量的不同，這些合金的密度一般為6.2-6.9g/cm³，而高溫合金的密度一般為8.1-8.6g/cm³，因此，nb-ti高溫合金可以取代ni及高溫合金而應用到航天器的關鍵部件上。作為一種新型的高溫材料，要實現nb-ti高溫合金的實際應用，其材料連接技術至關重要。目前，常見的高溫合金的連接技術主要有三種，分別為熔焊、擴散焊和釬焊。其中，釬焊具有許多優點，如釬焊溫度相對較低、可以對復雜形狀的結構進行連接、可實現高精度連接，而且可實現異種材料連接，而且工藝簡單。因此，釬焊技術在高溫材料的連接領域獲得廣泛的應用。

目前，常見的商用釬料中，ag基、al基和au基釬料釬焊溫度較低，釬焊接頭的實際服役溫度一般都低于500℃，不適合用于nb-ti高溫合金的釬焊(materialsscienceandengineeringa,2012,551:133-139)。在高溫釬料中，主要以ni基或ti基釬料為主，這類釬料的釬焊溫度一般位于1000～1300℃。如ni-cr、ni-cr-si和ni-cr-b等釬料，ti基釬料如ti-ni,ti-zr-cu-ni-co,ti-cu-ni,ti-ni-v和ni-ti-nb等釬料被用于釬料ti3al、tini、鎳基高溫合金和cf/sic復合材料等(journaloftheeuropeanceramicsociety2003,23:547-553,scienceandtechnologyofweldingandjoining,2011,16(2):193-198,materialsscienceandengineering:a,2015,636:522-528)。使用上述釬料的釬焊接頭一般具有較高的結合強度和良好的抗氧化性能，同時，ti、cr和nb等元素為活性元素，可與常見的陶瓷發生界面反應，提高釬焊接頭的剪切強度。

針對不同的基體材料，釬料的成分和含量也應不同，但目前有關對nb基高溫合金的焊接的報導很少，沒有合適的釬焊材料與相關工藝對其進行焊接，本發明主要解決nb-ti高溫合金相關釬料和釬焊工藝缺乏的問題。

要實現對nb-ti高溫合金良好連接，釬料與釬焊接頭應滿足以下幾個方面要求：①需要尋求熔點盡可能高的釬料，具有良好的抗氧化性能，以滿足其高溫使用需求；②釬料與nb-ti合金具有良好的潤濕性能；③釬焊接頭的內應力應比較低，具有足夠高的強度。

技術實現要素：

本發明主要解決nb-ti高溫合金相關釬料和釬焊工藝缺乏的問題，提供一種真空釬焊nb-ti高溫合金的釬料的制備方法和釬焊工藝，本發明的釬料和釬焊方法也可用于其它ni基、ti基和nb基高溫合金。

選擇合適的釬料對獲得高性能的接頭以滿足基體材料在特定條件下服役至關重要。需要綜合考慮釬料與基體材料的之間的物理和化學相容性、潤濕性、及相匹配的熱膨脹系數等因素。

為了增強釬料與nb-ti基體合金的潤濕性能，使釬焊接頭具有較高的強度和抗氧化性能，本發明選擇ni-ti-nb合金為釬料體系。該釬料體系具有以下幾個方面優點：①釬料中的ti元素和nb元素為是基體的主要元素，可以保證釬料與基體具有良好的潤濕性；②釬料中的ni元素有兩個方面作用，首先是作為熔點調節元素，以調節釬料的熔點；其次是ni元素與基體中的ti和nb均能反應，生成niti2、niti、ni3ti、ni3nb和ninb等金屬間化合物，可以達到良好的界面結合；③ni-ti-nb釬料具有良好的塑性，這有利于釬焊接頭的塑性變形及應力的釋放，同時該合金具有優異的抗高溫氧化性能。

一種用于釬焊nb-ti高溫合金的ni基釬料的制備方法，其特征在于釬料的組分及含量按原子百分數為：ni：60～70％，ti：20～30％，nb：5～15％。上述釬料的優選成分為：ni：63～67％，ti：20～25％，nb：8～12％。

上述釬料是按下列步驟和工藝制備而成：

(1)準備階段：選取電解鎳(ni)，海綿鈦(ti)，鈮塊(nb)為原料，ni的純度在99.95％以上，ti和nb的純度達到99.9％以上；原材料用丙酮溶液和酒精溶液分別超聲波清洗10～15min，在室溫下干燥；

(2)熔煉階段：熔煉前，先利用機械泵將爐內真空抽至0.1pa，保持2-4分鐘，之后打開分子泵將爐內真空抽至6×10^-2pa以上，再充入高純氬氣；熔煉時，為了使合金成分均勻化，在電磁攪拌作用下合金至少反復熔煉5次以上，真空澆鑄；熔煉后稱重，樣品失重在0.1％以內，認為合金實際成分與名義成分基本一致。

采用上述方法制備的釬料微觀組織如圖1所示，可以看出釬料元素分布均勻，其中白色菊花狀為(βti,nb)連續固溶體，灰白相間的片層狀為共晶組織{(βti,nb)+ti2ni}，灰色相為ti2ni相，黑色相為rich-ti相。由釬料合金的dsc曲線(圖2)可知，該釬料的熔點約為945.7℃。釬焊過程中釬焊溫度應高于釬料熔點，因此設定釬焊溫度范圍為1050～1200℃。圖3為ni-ti-nb釬料在1150℃下在nb-ti高溫合金表面的潤濕學動力曲線，可以看出釬料與nb-ti高溫合金具有良好的潤濕性，潤濕時間約為3min，最終潤濕角約為3.8°。

上述方法和工藝制備的釬料釬焊nb-ti高溫合金的釬焊工藝如下：

(1)通過線切割法將釬料切成與待焊基體形狀相同的薄片，然后采用2000號砂紙打磨打磨至厚度約為200μm；同時采用2000號砂紙對待焊基體表面進行打磨，去除基體表面的氧化層，用酒精超聲清洗釬料與基體材料后吹干。

(2)將釬料放置于nb基高溫合金之間，裝配成nb-ti/ni-ti-nb/nb-ti合金的結構；將該結構件放入真空釬焊爐中，然后抽真空至真空度為3.0×10^-3pa以上，以5℃/min速率升溫至釬焊溫度1050～1200℃，釬焊連接5～20min；然后隨爐真空冷卻至室溫，完成焊接。

本發明中，保證nb-ti/ni-ti-nb釬焊接頭剪切強度的關鍵在于控制釬焊接頭內脆性相的生成。圖4為1150℃下釬焊15min的nb-ti/ni-ti-nb釬焊接頭的微觀組織照片，可以看出，在焊縫組織中會同時存在四種相，分別為亮灰色的(βti,nb)連續固溶體、菊花狀的(βti,nb)+tini共晶組織，深灰色的ti2ni金屬間化合物、黑色的富ti相。其中前兩種相是韌性相，后兩種相是脆性相。當釬焊時間較短時，焊縫組織中主要為(βti,nb)連續固溶體、(βti,nb)+tini共晶組織，還存在部分脆性的ti2ni金屬間化合物，隨著釬焊時間的延長，焊縫組織中的(βti,nb)連續固溶體、(βti,nb)+tini共晶組織全部消失，僅剩下脆性的ti2ni金屬間化合物、富ti相，因此釬焊時間過長，會導致釬焊接頭的剪切強度降低。但當釬焊時間過短時，盡管釬料與基體具有良好的潤濕性能，但是時間過短會導致釬料中的合金元素與基體反應和擴散不充分，使焊接接頭的強度同樣較低。因此上述工藝條件的優選范圍為：釬焊溫度1100～1150℃，釬焊連接10～15min。

本發明的有益效果是：本發明中的ni-ti-nb釬料比傳統的ag基、al基和au基釬料釬焊溫度要高，可以充分發揮nb-ti合金的高溫性能。采用ni-ti-nb釬料釬焊nb基高溫合金，其室溫剪切強度達到550mpa以上。本發明描述的釬料還可用于其它ni基、ti基和nb基高溫合金的釬焊連接。

附圖說明

圖1為本發明制備的ni-ti-nb釬料鑄態組織照片；

圖2為本發明制備的釬料的dsc曲線圖；

圖3為本發明制備的釬料在1150℃下在nb-ti高溫合金表面的潤濕學動力曲線；

圖4為ni-ti-nb釬料在釬焊溫度為1150℃，釬焊連接時間為15min的條件下，焊接接頭的電子背散射照片；

具體實施方式

制備釬焊nb基高溫合金的釬料，釬料的組分及含量按原子百分數為：ni：65％，ti：25％，nb：10％。

釬料制備工藝如下：

(1)準備階段：選取電解鎳(ni)，海綿鈦(ti)，鈮塊(nb)為原料，ni的純度在99.95％以上，ti和nb的純度達到99.9％以上；原材料用丙酮溶液和酒精溶液先后分別超聲波清洗10～15min，在室溫下干燥；

(2)熔煉階段：熔煉前，先利用機械泵將爐內真空抽至0.1pa，保持3分鐘，之后打開分子泵將爐內真空抽至6×10^-2pa以上，再充入高純氬氣；熔煉時，為了使合金成分均勻化，在電磁攪拌作用下合金至少反復熔煉5次以上，真空澆鑄；熔煉后稱重，樣品失重在0.1％以內，認為合金實際成分與名義成分基本一致。

釬焊工藝步驟如下：

(1)通過電火花線切割法將焊料切成0.5mm厚的薄片，形狀與待焊nb基高溫合金表面相同，釬料和基體均用2000號sic砂紙打磨去除氧化層，然后將釬料和基體在酒精溶液超聲波清洗10～15min，在室溫下干燥；

(2)講釬料和基體裝配成nb-ti/ni-ti-nb/nb-ti的結構，放入真空釬焊爐中，然后抽真空至真空度為3.0×10^-3pa以上，以5℃/min升溫至釬焊溫度1050～1200℃，釬焊連接10～20min；最后隨爐真空冷卻至室溫，完成焊接。

實施例：

釬焊溫度分別選取1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，釬焊連接時間為10min、15min和20min。下表列出12組實施例中ni-ti-nb釬料焊接nb基合金的釬焊溫度、釬焊連接時間以及釬焊接頭的力學測試結果：

上述實施例表明，在釬焊溫度位于1100-1150℃，釬焊時間為10-15min，釬焊接頭的剪切強度可達到550mpa以上，可實現nb-ti高溫合金的良好焊接。