[發明專利]Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料的擴散焊方法

無效

• 申請號: 201410778116.8
• 申請日: 2014-12-15
• 公開（公告）號: CN104625395A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 范瑋;毛唯;熊華平;程耀永;周媛;陳波;吳欣;張寒
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: B23K20/14
• 分類號: B23K20/14;B23K20/24
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

技術領域

本發明是一種Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料的擴散焊方法，屬于高溫結構材料連接技術領域。

背景技術

隨著航空航天工業的發展，對發動機用高溫結構材料提出了更高的要求。Nb-Si系金屬間化合物由于其熔點高、密度低的特點，已經成為能夠在1200-1400℃滿足高性能發動機需求的最具潛力的渦輪葉片候選材料。就目前的研究狀況和制造工藝而言，實現Nb-Si系金屬間化合物高效氣冷渦輪葉片制造的技術路線是：首先鑄造實心葉片，然后剖開加工內部冷卻通道，最后通過擴散焊方法連接組合成空心氣冷葉片。擴散焊需要較高的溫度和較長的時間，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高于1700℃，其相應的擴散焊溫度也高達1400℃，這對于目前的擴散焊設備而言都難以承受或無法實現，極大地限制了擴散焊技術在該種高溫結構材料組合構件制造過程中的應用。

目前在鋁合金、鈦合金、高溫合金的連接研究中，通過采用加入具有高擴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，使物質的連續性發生中斷，增加了材料表面能，降低了熔點。

發明內容

本發明正是針對上述現有技術中存在的問題而設計提供了一種Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料的擴散焊方法，其目的是以納米薄膜作為中間層，利用其較大的表面能實現在較低的溫度下對Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料的擴散焊連接。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

該種Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料的擴散焊方法，其特征在于：該方法的步驟為：

⑴用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂紙逐級對兩個待焊工件的表面進行磨光，然后將工件放在丙酮溶液中進行超聲波清洗；

⑵采用磁控濺射工藝在兩個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構材料中的化學元素發生共晶反應的元素作為薄膜的成分元素；

2.2磁控濺射工藝的參數為：濺射功率：100～200W，工作氣壓：3～10mtorr，襯底溫度：200℃～500℃，退火溫度：400℃～800℃；

2.3納米薄膜的顆粒度為10～100nm，納米薄膜的厚度為0.05μm～2μm，

⑶將覆有納米薄膜的兩個待焊工件的表面對接好放入真空擴散爐內，對兩個待焊工件的對接表面施加10～30MPa的壓力，對爐內抽真空至2.0×10^-3～4.0×10^-3Pa時，以10℃/min的升溫速率對爐內進行加熱，升溫至1050℃～1250℃并保溫1～3h進行擴散焊連接，該過程中，調整并保持對兩個待焊工件對接表面施加的壓力恒定；

⑷擴散焊連接結束后，連接工件隨爐冷卻降溫至150℃時卸載對接表面上的壓力，然后降溫至室溫后取出。

用于制備納米薄膜的成分元素為Ni。

本發明技術方案選取與Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料中的化學元素發生共晶反應的元素作為薄膜的成分元素，可以促進兩個待焊工件對接表面元素的擴散，使納米薄膜具有高擴散速率和高表面能高活性的優勢，有效地降低反應溫度，可在低于常規擴散連接溫度的200～400℃條件下實現Nb-Si系金屬間化合物的擴散焊連接，無需保護氣氛，且生成的化合物具有較高的強度和塑性，保證了接頭強度。

本發明技術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合力、膜層致密均勻，薄膜晶粒度可達納米量級。

附圖說明

圖1為Nb-Si系金屬間化合物在1100℃/30MPa/2h連接后的接頭組織背散射電子像照片

具體實施方式

以下將結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：

本實施例所述的Nb-Si系金屬間化合物高溫結構材料是以Nb(Ti)₅Si₃和Nb(Ti)Si₃金屬化間合物為主要物相的高溫結構材料，其主要化學元素有Nb、Ti、Si、Al、Hf。待焊工件的尺寸為φ14mm×40mm的圓柱，待連接面為φ14mm的圓形平面。

擴散焊方法步驟為：