Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法，屬于高溫結(jié)構(gòu)材料連接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。Nb-Si系金屬間化合物由于其熔點(diǎn)高、密度低的特點(diǎn)，已經(jīng)成為能夠在1200-1400°C滿足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)需求的最具潛力的渦輪葉片候選材料。就目前的研宄狀況和制造工藝而言，實(shí)現(xiàn)Nb-Si系金屬間化合物高效氣冷渦輪葉片制造的技術(shù)路線是:首先鑄造實(shí)心葉片，然后剖開加工內(nèi)部冷卻通道，最后通過擴(kuò)散焊方法連接組合成空心氣冷葉片。擴(kuò)散焊需要較高的溫度和較長的時(shí)間，焊接溫度約為0.8-0.85Tm，Tm為合金的熔化溫度，Nb-Si系金屬間化合物的熔點(diǎn)高于1700°C，其相應(yīng)的擴(kuò)散焊溫度也高達(dá)1400 °C，這對(duì)于目前的擴(kuò)散焊設(shè)備而言都難以承受或無法實(shí)現(xiàn)，極大地限制了擴(kuò)散焊技術(shù)在該種高溫結(jié)構(gòu)材料組合構(gòu)件制造過程中的應(yīng)用。
[0003]目前在鋁合金、鈦合金、高溫合金的連接研宄中，通過采用加入具有高擴(kuò)散速率和高表面能活性的納米薄膜的方法可降低焊接溫度。固體薄膜材料尤其是納米薄膜，在厚度這一特定方向上，尺寸很小，只是微觀可測的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物質(zhì)的連續(xù)性發(fā)生中斷，增加了材料表面能，降低了熔點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而設(shè)計(jì)提供了一種Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法，其目的是以納米薄膜作為中間層，利用其較大的表面能實(shí)現(xiàn)在較低的溫度下對(duì)Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊連接。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0006]該種Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法，其特征在于:該方法的步驟為:
[0007]⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂紙逐級(jí)對(duì)兩個(gè)待焊工件的表面進(jìn)行磨光，然后將工件放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗；
[0008]⑵采用磁控濺射工藝在兩個(gè)待焊工件的表面制備納米薄膜
[0009]2.1選取與Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料中的化學(xué)元素發(fā)生共晶反應(yīng)的元素作為薄膜的成分元素；
[0010]2.2磁控濺射工藝的參數(shù)為:濺射功率:100?200W，工作氣壓:3?lOmtorr，襯底溫度:200°C?500 °C，退火溫度:400°C?800 °C ；
[0011]2.3納米薄膜的顆粒度為10?lOOnm，納米薄膜的厚度為0.05 μπι?2 μπι，
[0012]⑶將覆有納米薄膜的兩個(gè)待焊工件的表面對(duì)接好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)，對(duì)兩個(gè)待焊工件的對(duì)接表面施加10?30MPa的壓力，對(duì)爐內(nèi)抽真空至2.0X 1(Γ3?4.0X10 ^3Pa時(shí)，以10°c /min的升溫速率對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，升溫至1050°C?1250°C并保溫I?3h進(jìn)行擴(kuò)散焊連接，該過程中，調(diào)整并保持對(duì)兩個(gè)待焊工件對(duì)接表面施加的壓力恒定；
[0013]⑷擴(kuò)散焊連接結(jié)束后，連接工件隨爐冷卻降溫至150°C時(shí)卸載對(duì)接表面上的壓力，然后降溫至室溫后取出。
[0014]用于制備納米薄膜的成分元素為Ni。
[0015]本發(fā)明技術(shù)方案選取與Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料中的化學(xué)元素發(fā)生共晶反應(yīng)的元素作為薄膜的成分元素，可以促進(jìn)兩個(gè)待焊工件對(duì)接表面元素的擴(kuò)散，使納米薄膜具有高擴(kuò)散速率和高表面能高活性的優(yōu)勢(shì)，有效地降低反應(yīng)溫度，可在低于常規(guī)擴(kuò)散連接溫度的200?400°C條件下實(shí)現(xiàn)Nb-Si系金屬間化合物的擴(kuò)散焊連接，無需保護(hù)氣氛，且生成的化合物具有較高的強(qiáng)度和塑性，保證了接頭強(qiáng)度。
[0016]本發(fā)明技術(shù)方案采用磁控濺射的方法制備納米薄膜，該方法雖然是一種常用的薄膜制備手段，但通過工藝參數(shù)的合理選取和控制，可以使制得的納米薄膜與基體具有良好的結(jié)合力、膜層致密均勻，薄膜晶粒度可達(dá)納米量級(jí)。
【附圖說明】
[0017]圖1為Nb-Si系金屬間化合物在1100°C /30MPa/2h連接后的接頭組織背散射電子像照片
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述:
[0019]本實(shí)施例所述的Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料是以Nb(Ti)5SiJP Nb(Ti)Si3金屬化間合物為主要物相的高溫結(jié)構(gòu)材料，其主要化學(xué)元素有Nb、T1、S1、Al、Hf。待焊工件的尺寸為Φ 14_X40mm的圓柱，待連接面為Φ 14mm的圓形平面。
[0020]擴(kuò)散焊方法步驟為:
[0021]⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂紙逐級(jí)對(duì)兩個(gè)待焊工件的表面進(jìn)行磨光，然后將工件放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗5?1min ;
[0022]⑵采用純度多99.98wt%的純鎳靶經(jīng)JCK-500型磁控濺射臺(tái)在兩個(gè)待焊工件的表面制備納米薄膜；
[0023]2.1選取與Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料中的主要元素Nb、T1、S1、Al等發(fā)生共晶反應(yīng)的Ni元素作為薄膜的成分元素；
[0024]2.2磁控濺射工藝的參數(shù)為:濺射功率:100?200W，工作氣壓:3?lOmtorr，襯底溫度:200°C?500 °C，退火溫度:400°C?800 °C ；
[0025]2.3納米薄膜的顆粒度為10?lOOnm，納米薄膜的厚度為0.7 μ m ;
[0026]⑶將覆有納米薄膜的兩個(gè)待焊工件的表面對(duì)接好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)，對(duì)兩個(gè)待焊工件的對(duì)接表面施加30MPa的壓力，對(duì)爐內(nèi)抽真空至2.6X 10_3Pa時(shí)，以10°C /min的升溫速率對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，升溫至1100°C并保溫2h進(jìn)行擴(kuò)散焊連接，該過程中，調(diào)整并保持對(duì)兩個(gè)待焊工件對(duì)接表面施加的壓力恒定；
[0027]⑷擴(kuò)散焊連接結(jié)束后，連接工件隨爐冷卻降溫至150°C時(shí)卸載對(duì)接表面上的壓力，然后降溫至室溫后取出。
[0028]用掃描電鏡觀察連接接頭的組織形貌參見附圖1所示，中間層鎳薄膜與Nb-Si系金屬間化合物母材基體結(jié)合良好，連接接頭致密無孔洞，具有一定的連接強(qiáng)度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法，其特征在于:該方法的步驟為: ⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂紙逐級(jí)對(duì)兩個(gè)待焊工件的表面進(jìn)行磨光，然后將工件放在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗； ⑵采用磁控濺射工藝在兩個(gè)待焊工件的表面制備納米薄膜 2.1選取與Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料中的化學(xué)元素發(fā)生共晶反應(yīng)的元素作為薄膜的成分元素； 2.2磁控濺射工藝的參數(shù)為:濺射功率:100?200W，工作氣壓:3?lOmtorr，襯底溫度:200°C ?500 °C，退火溫度:400°C ?800 °C ； 3.3納米薄膜的顆粒度為10?lOOnm，納米薄膜的厚度為0.05 μ m?2 μ m， (3)將覆有納米薄膜的兩個(gè)待焊工件的表面對(duì)接好放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)，對(duì)兩個(gè)待焊工件的對(duì)接表面施加10?30MPa的壓力，對(duì)爐內(nèi)抽真空至2.0Χ1(Γ3?4.0X KT3Pa時(shí)，以10°C /min的升溫速率對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，升溫至1050°C?1250°C并保溫I?3h進(jìn)行擴(kuò)散焊連接，該過程中，調(diào)整并保持對(duì)兩個(gè)待焊工件對(duì)接表面施加的壓力恒定； ⑷擴(kuò)散焊連接結(jié)束后，連接工件隨爐冷卻降溫至150°C時(shí)卸載對(duì)接表面上的壓力，然后降溫至室溫后取出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法，其特征在于:用于制備納米薄膜的成分元素為Ni。
【專利摘要】本發(fā)明是一種Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散焊方法，該方法選取與Nb-Si系金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料中的化學(xué)元素發(fā)生共晶反應(yīng)的元素作為薄膜的成分元素，采用磁控濺射設(shè)備在待連接件表面沉積薄膜作為連接中間層進(jìn)行高溫結(jié)構(gòu)材料的真空擴(kuò)散連接，磁控濺射制得的薄膜與基體具有良好的結(jié)合力，膜層致密均勻，厚度在0.05～10μm之間，顆粒度可達(dá)納米量級(jí)，具有較大的表面能，可以在低于常規(guī)擴(kuò)散連接溫度200～400℃條件下實(shí)現(xiàn)高溫合金的連接。連接過程在一般真空擴(kuò)散爐內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)，無需保護(hù)氣氛，工藝簡單易行。
【IPC分類】B23K20-14, B23K20-24
【公開號(hào)】CN104625395
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410778116
【發(fā)明人】范瑋, 毛唯, 熊華平, 程耀永, 周媛, 陳波, 吳欣, 張寒
【申請(qǐng)人】中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月15日