專利名稱：一種用于C_f/SiC復合材料與變形高溫合金釬焊的方法
技術領域：
本發明屬于焊接技術領域，涉及一種用于Cf/SiC復合材料與變形高溫合金釬焊的 方法。
背景技術：
陶瓷、陶瓷基復合材料是很有應用前途的高溫結構陶瓷材料。但由于陶瓷材料的 加工性能差、耐熱沖擊能力弱，以及制造尺寸大而且形狀復雜的零件較為困難等缺點，通常 需要與金屬材料組成復合結構來應用。國內外關于碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(Cf/SiC)的連接研究，公開報道的 有使用AgCuTi釬料(見《材料科學與工藝》，vol. 17，增刊1，2009，pl_4，作者陳波，熊華 平，程耀永，毛唯，)；Ni基釬料釬焊Cf/SiC自身(見“Cf/SiC陶瓷復合材料與高溫合金的高 溫釬焊研究”.博士學位論文，作者鋼鐵研究總院，張勇.2006年6月)，以及采用Ti箔-Cu 箔疊層連接 Cf/SiC 與 Nb 合金的研究結果(Jiangtao Xiong, Jinglong Li，Fusheng Zhang and Weidong Huang, Scripta Materialia55，2006，pl51_154)，其中 Ni 基高溫釬料連接 Cf/ SiC自身接頭室溫四點彎曲強度只有58MPa左右。一方面，采用AgCuTi釬料，或者Ti箔-Cu 箔疊層連接Cf/SiC，其接頭耐熱溫度很難超過500°C ；采用M基釬料釬焊Cf/SiC其接頭強 度又太低。另一方面，Cf/SiC復合材料與金屬的連接很多都限于該復合材料與鈦合金、鈮合 金的連接，目前還缺乏Cf/SiC復合材料與高溫合金的有效連接方法。Cf/SiC復合材料與高溫合金的釬焊連接需要解決兩個技術問題，一是設計選取合 適的高溫焊料，實現焊料與Cf/SiC復合材料之間界面的牢固連接，二是Cf/SiC復合材料與 高溫合金兩種被焊材料熱膨脹系數差異大(前者約3X IO-6K-1,后者約9 14X IO-6K-1,)， 即使使用了合適的焊料，直接進行Cf/SiC復合材料與高溫合金的連接時容易造成接頭在焊 后冷卻過程中開裂。

發明內容
本發明的目的是提供一種Cf/SiC復合材料與高溫合金的釬焊連接接頭在焊后冷 卻過程中不開裂的一種用于Cf/SiC復合材料與變形高溫合金釬焊的方法。本發明的技術 解決方案是，選取TZM合金作為中間過渡層，在被焊的Cf/SiC復合材料與TZM合金中間過 渡層之間選用CuPd-V系或者PdCuAu-V系或者PdCoAu-V系或者PdCo-V系高溫焊料，其中， CuPd-V系焊料的成份及重量百分比為=Pd :10. O 59. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量；PdCuAu-V系焊料的成份及重量百分比為Cu :20. O 39. 0，Au :15. O 38. 0，Ni 0. O 5. 0，V 4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCoAu-V系焊料的成份及重量百分比為:Co 21. O 32. 0，Au 8. O 22. 0，Ni 0. O 7. 0，V 4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCo-V系焊料的成份及重量百分比為Co 25. O 39. O，Cu 0. O 4. 0，Ni :0. O 7. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. 0 2. 6，B :0. 0 2. 5，Pd 余量；
在TZM合金中間過渡層與被焊的變形高溫合金之間使用成份及重量百分比與上 述相同的CuPd-V系或PdCuAu-V系或PdCoAu-V系或PdCo-V系高溫焊料，或傳統的Ni基 或Co基釬料；釬焊方法為如下之一，當兩個界面所使用的焊料的熔化溫度相差在20°C以內 時，在裝配完成焊料后，通過1130°C 1200°C /10 25min的一次釬焊方法，釬焊時真空度 不低于3 X 10_2Pa，實現Cf/SiC復合材料與變形高溫合金的釬焊連接；當兩個界面所使用的 焊料的熔化溫度相差在20°C以上時，先按被焊的Cf/SiC復合材料、含元素V的高溫焊料、 TZM合金中間過渡層的順序進行裝配，并按1130°C 1200°C /10 25min的工藝進行第一 次釬輝，釬焊時真空度不低于3X10_2Pa，再在第一次已焊好的接頭的TZM合金中間過渡層 與被焊的變形高溫合金之間，添加含V元素的高溫焊料，或者傳統的M基或Co基釬料，通 過1050°C 1110°C /IO 20min的進行第二次釬焊，釬焊時真空度不低于3 X 10_2Pa，完成 Cf/SiC復合材料與變形高溫合金的釬焊連接。被焊的Cf/SiC復合材料與TZM合金中間過渡層之間、TZM合金中間過渡層與被焊 的變形高溫合金之間所使用的焊料相同或不同。本發明具有的優點的有益效果是本發明所述用于(^/5比復合材料與變形高溫 合金釬焊的方法，既解決了焊料與Cf/SiC復合材料之間界面連接問題，比如本發明選用 CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高溫焊料，或者PdCo-V系高溫焊料，其釬料 熔化溫度與傳統的系列鎳基釬料大體處于同一水平，但對應Cf/SiC陶瓷基復合材料的接頭 室溫三點彎曲強度從傳統鎳基釬料對應的58MPa提高至110 170MPa ；本發明還解決了焊 料耐高溫問題，比如選用的CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高溫焊料，或者 PdCo-V系高溫焊料，相對于釬焊陶瓷用的傳統AgCuTi釬料，本發明使用釬料的熔化溫度提 高了 250°C 350°C，從而使其釬焊Cf/SiC復合材料接頭耐高溫性能明顯改善。另外，本發 明選取TZM合金作為中間過渡層，一是該材料它本身耐高溫(可在高于1000°C的情況下使 用)，其本身的高溫性能優于鈮、鈮合金、鎢、鎢合金或者純鉬等在陶瓷或陶瓷基復合材料與 金屬連接中較常用的中間過渡層材料，二是其熱膨脹系數為5. 3X IO-6IT1,介于被焊的Cf/ SiC復合材料與高溫合金之間，并且更接近于被焊的Cf/SiC復合材料，可以有效緩解釬焊連 接后在Cf/SiC復合材料與高溫合金連接接頭形成的殘余熱應力，并且同樣的含元素V的高 溫焊料，或者傳統的M基釬料，或者Co基釬料，與TZM合金和被焊的高溫合金之間都具有 良好的冶金相容性，最終能夠保證獲得冶金質量良好而且連接牢固的Cf/SiC復合材料與高 溫合金的連接接頭。
具體實施例方式選取TZM合金作為中間過渡層，在被焊的Cf/SiC復合材料與TZM合金中間過渡層 之間選用一種含元素V的高溫焊料，如CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高溫 焊料，或者PdCo-V系高溫焊料，這四種焊料的成份及重量百分比依次為=CuPd-V系高溫焊 料，Pd :10. O 59. O, V 4. 5 15. 0，Cu 余量；PdCuAu-V 系高溫焊料，Cu 20. O 39. O, Au 15. O 38. 0，Ni 0. O 5. 0，V :4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCoAu-V 系高溫焊料，Co 21. O 32. 0，Au 8. O 22. 0，Ni 0. O 7. 0，V :4. 5 15. 0，Pd 余量；PdCo-V 系高溫焊料，Co 25. O 39. 0，Cu 0. O 4. 0，Ni :0. O 7. 0，V :4. 5 15. 0，Si :0. O 2. 6，B :0. O 2. 5， Pd余量。而在TZM合金中間過渡層與被焊的變形高溫合金之間使用同樣的含V元素的高溫
4焊料，或者傳統的M基，或者Co基高溫釬料。當上述兩個界面所使用的焊料的熔化溫度相差在20°C以內時，可以采取下述的一 步焊接工藝(1)裝配，根據連接接頭的要求，依次進行被焊的Cf/SiC陶瓷基復合材料、含元素 V的高溫焊料、TZM合金中間過渡層、含元素V的高溫焊料或者Co基高溫釬料、被焊的變形 高溫合金之間的裝配；各種焊料的形式可以是合金粉末，或者軋制的合金帶材，或者急冷態 箔帶。(2)加熱，焊件裝配后連同夾具一起放入真空加熱爐中，加熱至1130°C 1200°C 的釬焊溫度，真空度不低于3X 10_2Pa，保溫5 30分鐘后再隨爐冷卻至室溫。當上述兩個界面所使用的焊料的熔化溫度相差在20°C以上的，可以采取下述的分 步焊接工藝(1)裝配，根據連接接頭的要求，先進行被焊的Cf/SiC陶瓷基復合材料、含元素V 的高溫焊料、TZM合金中間過渡層之間的裝配；含元素V的高溫焊料的形式可以是合金粉 末，或者軋制的合金帶材，或者急冷態箔帶。(2)加熱，焊件裝配后連同夾具一起放入真空加熱爐中，加熱至1130°C 1200°C 的釬焊溫度，真空度不低于3X 10_2Pa，保溫5 30分鐘后再隨爐冷卻至室溫。(3)再裝配，根據連接接頭的要求，進行第一次已經連接好的Cf/SiC陶瓷/TZM合 金接頭、Ni基釬料、被焊的變形高溫合金之間的裝配；各種焊料的形式可以是合金粉末，或 者急冷態箔帶，或者非晶態帶。(4)又一次加熱，上述第三步驟焊件裝配后連同夾具一起放入真空加熱爐中， 加熱至io5o°c iioo°c的釬焊溫度(比第二步加熱焊接的溫度略低)，真空度不低于 3X 10_2Pa，保溫5 20分鐘后再隨爐冷卻至室溫。以下將結合實施例對本發明技術方案作進一步地詳述表1給出了本發明技術方案所述工藝方法的21個實施例(被焊的陶瓷基復合材 料均為Cf/Sic復合材料，被焊的變形高溫合金為GH783高溫合金，或者GH3044高溫合金，或 者GH3536高溫合金，或者GH2696，或者GH4169高溫合金，選用的中間過渡層材料均為TZM 合金)。
上述實施例所述的技術工藝路線，其中含元素V的高溫焊料的形式可以是合金粉 末，或者軋制的合金帶材，或者急冷態箔帶。Ni基或者Co基高溫釬料的形式可以是合金粉 末，或者急冷態箔帶，或者非晶態帶。采用表1所示的實施例1 21，成功地完成了 Cf/SiC陶瓷基復合材料與變形高 溫合金接頭的連接。接頭實物經實際功能考核與試驗，接頭可以承受局部高達900°C 1000°C的短時(5 20min)高溫作用，而且，連接接頭經歷從高溫(900°C 1000°C )到室 溫的5 10次循環熱震試驗后未發生破壞。
權利要求
一種用于Cf/SiC復合材料與變形高溫合金釬焊的方法，其特征在于，選取TZM合金作為中間過渡層，在被焊的Cf/SiC復合材料與TZM合金中間過渡層之間選用CuPd V系或者PdCuAu V系或者PdCoAu V系或者PdCo V系高溫焊料，其中，CuPd V系焊料的成份及重量百分比為Pd10.0～59.0，V4.5～15.0，Cu余量；PdCuAu V系焊料的成份及重量百分比為Cu20.0～39.0，Au15.0～38.0，Ni0.0～5.0，V4.5～15.0，Pd余量；PdCoAu V系焊料的成份及重量百分比為Co21.0～32.0，Au8.0～22.0，Ni0.0～7.0，V4.5～15.0，Pd余量；PdCo V系焊料的成份及重量百分比為Co 25.0～39.0，Cu 0.0～4.0，Ni0.0～7.0，V4.5～15.0，Si0.0～2.6，B0.0～2.5，Pd余量；在TZM合金中間過渡層與被焊的變形高溫合金之間使用成份及重量百分比與上述相同的CuPd V系或PdCuAu V系或PdCoAu V系或PdCo V系高溫焊料，或傳統的Ni基或Co基釬料；釬焊方法為如下之一，當兩個界面所使用的焊料的熔化溫度相差在20℃以內時，在裝配完成焊料后，通過1130℃～1200℃/10～25min的一次釬焊方法，釬焊時真空度不低于3×10 2Pa，實現Cf/SiC復合材料與變形高溫合金的釬焊連接；當兩個界面所使用的焊料的熔化溫度相差在20℃以上時，先按被焊的Cf/SiC復合材料、含元素V的高溫焊料、TZM合金中間過渡層的順序進行裝配，并按1130℃～1200℃/10～25min的工藝進行第一次釬焊，釬焊時真空度不低于3×10 2Pa，再在第一次已焊好的接頭的TZM合金中間過渡層與被焊的變形高溫合金之間，添加含V元素的高溫焊料，或者傳統的Ni基或Co基釬料，通過1050℃～1110℃/10～20min的進行第二次釬焊，釬焊時真空度不低于3×10 2Pa，完成Cf/SiC復合材料與變形高溫合金的釬焊連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于Cf/SiC復合材料與變形高溫合金釬焊的方法，其特 征在于，被焊&Cf/SiC復合材料與TZM合金中間過渡層之間、TZM合金中間過渡層與被焊的 變形高溫合金之間所使用的焊料相同或不同。
全文摘要
本發明是一種用于Cf/SiC復合材料與變形高溫合金釬焊的方法，其特征在于，選取TZM合金作為中間過渡層，在Cf/SiC復合材料與TZM合金中間過渡層之間選用一種含元素V的高溫焊料，如CuPd-V系，或者PdCuAu-V系，或者PdCoAu-V系高溫焊料，或者PdCo-V系高溫焊料。而在TZM合金中間過渡層與高溫合金之間使用同樣含元素V的高溫焊料，或者傳統的Ni基釬料，或者Co基高溫釬料，從而通過釬焊方法實現Cf/SiC復合材料與高溫合金的連接。連接接頭可以承受局部高達900℃～1000℃的短時高溫作用。
文檔編號B23K1/00GK101920366SQ201010266689
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者李曉紅, 毛唯, 熊華平, 程耀永, 陳波 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院