专利名称：一种亚稳态Cu基和Ni基合金复合箔及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种亚稳态Cu基和Ni基 合金复合箔材料，本发明还涉及该复合箔材料的制备方法。
背景技术：
随着航天技术的迅猛发展，新一代发动机中大量采用新材料及异 种材料的连接结构，以发挥各种材料的性能优势，提高发动机的整体 性能。铜合金具有良好的耐腐蚀性和较高的热导性率，已成为国外主 流发动机的主要组件。铜合金与不锈钢连接结构成为发动机的重要组 成部分。但是，铜与不锈钢的焊接属于异种金属的焊接，两者的物理 性能相差很大，铜的熔点比不锈钢约低40(TC，铜的导热系数是不锈 钢的24倍，但是不锈钢的强度是铜的2倍。二者形成焊接时势必产 生很大的应力。同时，两种母材都含有O 、 S 、 P等杂质元素，焊 接过程中会形成低熔点的共晶体和脆性化合物，焊缝区易产生热裂 纹，铜与不锈钢的熔焊性能较差。
过渡液相扩散焊是一种在焊前预置中间层焊接，然后施加压力、 加热和保温，即可实现结合的焊接方法，获得的接头力学性能较高。 除了工艺因素的影响之外，接头性能主要取决于过渡层合金的成分及 其在焊接过程中元素的扩散行为。因此，配制合理的成分，控制焊接 过程中元素的扩散是实现铜与不锈钢TLP焊的关键。
目前，多用Ni基合金和Fe基合金作为钢/钢焊接的过渡层，在 此方面的研究较多。而对铜/钢的TLP研究则较为少见。基于铜与不 锈钢所存在物理性能方面的差异，Ni基合金或Fe基合金已不再适于 这两种合金之间的焊接。设计、制作适于铜与不锈钢TLP焊的过渡 层材料具有工程意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种亚稳态Cu基和Ni基合金复合箔，作 为铜/钢焊接的过渡层，可解决铜与不锈钢之间的TLP焊接性能较差 的问题。
本发明的另一 目的是提供上述复合箔的制备方法，制备得到上述 的复合箔。
本发明所采用的技术方案是， 一种亚稳态Cu基和Ni基合金复 合箔，由Qi基合金层和Ni基合金层组成，所述的Cu基合金层的组 分按照重量百分比，其组成为Sn为7X 20Q/。， 8为0.5% 1.0%， 其余为Cu;所述的Ni基合金层的组分按照重量百分比，其组成为 Si为5X 90/0， B为0.5X 1.0X，其余为Ni。
Cu基合金层厚为15 25 ix m， Ni基合金层厚为15 25 n m。
本发明所采用的另一技术方案是，制备上述复合箔的方法，该方 法使用如下的装置制备，并按照以下步骤实施，
所述的装置包括一真空室，在真空室的壁板上设置有真空泵和由 电机驱动的辊轮，在真空室的上面连接有小真空室，小真空室设置有 氩气进口，小真空室的底部与坩埚接通，坩埚的内腔被中隔分开成两
个熔炼室，每个熔炼室的底部分别开设有一个长条型的喷嘴，坩埚放 置在高频感应线圈中，高频感应线圈位于辊轮的上方，在真空室的侧 边设置有收集室。
所述的步骤为，
步骤1 、分别称量母合金Cu基母合金和Ni基母合金，Cu基合 金层的组分按照重量百分比组成为Sn为7% 20%， B为0.5% 1.0%，其余为Cu; Ni基合金层的组分按照重量百分比组成为Si 为5% 9%, B为0.5X 1.0X，其余为Ni，对上述称量的Cu基母 合金和Ni基母合金分别进行熔配，
步骤2、把上步熔配得到的Cu基母合金和Ni基母合金分别放入 坩埚的两个内腔中；再将坩埚放置在位于辊轮上方的高频感应线圈 中；
步骤3、开启真空泵，将真空室抽真空至0.1^.25 Pa,再从氩气 进口充高纯氩气至0.95 1.05kPa，反复"抽真空一充Ar气"过程3~5 次，然后使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔 化并保持3 5min;
步骤4、开启电机，驱动辊轮旋转，随即从氩气进口充入高速 Ar气，将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩埚下面的喷嘴喷出， 并沿辊轮表面急冷凝固，得到Cu基和Ni基合金双层合金箔带。
本发明的亚稳态Cu基和Ni基合金复合箔不仅综合了铜基合金 作过渡层和Ni基合金作过渡层的各自优点，而且克服了工艺上的不 便和对接头形成的不利影响，非常适合铜与不锈钢的TLP焊接及扩散钎焊。本发明的制备方法，工艺简单，容易操作。
图1是制备本发明的装置的一个实施例结构示意图； 图2是图1所述装置的熔炼坩埚结构及工作状态示意图； 图3是本发明的复合箔的结构示意图； 图4是本发明焊接铜合金与不锈钢接头的装配示意图。 图中，1、小真空室，2、坩埚，3、收集室，4、亚稳态合金条带， 5、真空室，6、高频感应线圈，7、电机，8、辊轮，9、 Cu基合金块， 10、 Ni基合金块，11、真空泵，12、铜基合金层，13、 Ni基合金层， 14、不锈钢，15、铜合金。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 对于铜合金与不锈钢TLP焊接，若采用Fe基合金为过渡层，由 于铜是奥氏体组织形成元素，所形成的焊缝仍为奥氏体组织，在结晶 时晶粒间存在一薄层低熔点的液态铜，很容易引起热裂纹。若采用铜 基合金为过渡层，母材中的Fe 、 Cr等元素将熔入焊缝中，使焊缝变 脆，冲击韧性降低。并在不锈钢一侧的热影响区中仍可能产生渗透裂 纹。若采用Ni基合金为过渡层，镍与铜能够无限互溶，而且含Ni 焊缝的抗裂纹能力较强，而且镍的导热性介于铜与不锈钢之间，理论 上讲，Ni基合金可作为填充金属使用。但是，Ni基合金熔点较高， 用于铜合金的焊接操作工艺难度较大，而且接头的近铜侧也会因保持 而组织和性能难于保障。
本发明提出了适于铜与不锈钢TLP焊的过渡层材料成分，并利 用Cu和Ni液态互溶，易于制备出一种亚稳态Cu基和Ni基合金复 合箔的特点，提出制备亚稳态合金复合箔的方法，用来制备Cu基和 Ni基合金复合箔。
本发明的复合箔由Cu基合金层和Ni基合金层两层结构组成， Cu基合金层的组分按照重量百分比Sn为7X 20。/。， B为0.5X 1.0%,其余为Cu; Ni基合金层的组分按照重量百分比，Si为5X 9。/0,B为0.5X 1.0X，其余为Ni。其中Cu基合金层厚为15 25um， Ni基合金层厚为15 25ym。 Cu基合金层中，Sn为主要合金元素， 其主要作用是调节合金熔点。在亚稳态铜基合金中，其过饱和固溶于 (Cu)内。B为降熔元素，其制熔点效果明显、原子半径小而扩散速 度快。同样地，在Ni基合金层中，Si为主要合金元素，其主要作用 是调节合金熔点。B为降熔元素。
如图1所示，本发明使用单辊快速凝固装置进行制备，该装置包 括在真空室5的底板上设置有真空泵11和由单相异步电机7传动的 铜质的辊轮8，在真空室5的顶板上设置有小真空室1,小真空室1 开有Ar气进口，小真空室1的底部与石英坩埚2连接，石英坩埚2 放置在高频感应线圈6中，高频感应线圈6位于辊轮8的正上方，在 真空室5的侧边设置有收集室3,制备出亚稳态合金复合箔4进入收 集室3中收集。高频感应线圈6的匝数根据需要制备复合箔材质的熔 点及其相互间的温度差异绕制。单相异步电机7选用角速度可调的高 速电机，辊面线速度控制在10 50m/s，以满足不同厚度箔带的制备需要，根据辊面线速度的不同,制成的合金条带4的厚度为30~50拜, 宽度为3 7mrn，长度为1 2m。
如图2所示，为本发明的制备装置的一种熔炼坩埚结构及工作状 态示意图。石英熔炼坩埚2的内腔被中隔分开成两个熔炼室， 一个熔 炼室是放置Cu基合金块9，另一个熔炼室是放置Ni基合金块10， 每个熔炼室的底部都开设有宽约0.3mm的缝隙式喷嘴，两个喷嘴方 向保持平行。熔炼前放置坩埚时，注意两个喷嘴的前后顺序及方向性， 保证两层合金液流出喷嘴后刚好叠加在一起。
本发明的Cu基和Ni基合金复合箔的制备方法是，利用上述的 单辊快速凝固装置，其步骤是，
步骤l、熔配Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超高真空电弧 炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为7X 20。/。， B为0.5 % 1.0%，其余为Cu; Ni基合金层按照重量百分比称量Si为5% 9%， 8为0，5% 1.0%，其余为Ni，对称量的Cu基母合金和Ni基 母合金分别进行熔配；
步骤2、把上步熔配好的母合金Cu基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；
步骤3、开启真空泵ll，将真空室5抽真空至0.1~0.25 &再从 氩气进口充高纯Ar气至0.95~1.05k Pa,反复"抽真空一充Ar气"过 程3~5次之后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母 合金熔化并保持3 5min; 步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩 埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到髙速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝 固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。
如图3所示，为本发明的亚稳态Cu基和Ni基两层合金复合箔 的两层结构示意图，使用上述装置制备的复合箔厚为30 50nm，宽为 3 7rnrn，长为l~2m。
如图4所示，为本发明的复合箔进行TLP焊接铜合金与不锈钢 接头的装配示意图。在试样接头装配时，将复合箔材的Cu基合金层 12与待焊铜合金15接触，将复合箔材的Ni基合金层13与待焊不锈 钢14接触。然后，按照常规焊接方法对装配好了的接头进行加压、 加热、保温，实现铜合金与不锈钢进行TLP焊接。相当于应用Cu基 合金箔与铜合金焊接和应用Ni基合金箔与不锈钢焊接所形成的接头 的复合。 实施例1
采用上述的单辊快速凝固装置制备亚稳态Cu基和Ni基合金复 合箔，按照以下步骤实施。
步骤1 、熔配母合金Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超高真 空电弧炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为7X, B为0.5 %，其余为Cu; Ni基合金层按照重量百分比称量Si为5X， B为 0.5%，其余为Ni，分别进行熔配；
步骤2、把上步熔配好的母合金Qi基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；
步骤3、开启真空泵ll，将真空室5抽真空至0.1Pa，再从氩气 进口充高纯Ar气至0.95k Pa，反复"抽真空一充Ar气"过程5次之 后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔化并 保持5min;
步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Qi基和Ni基合金液分别从坩 埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝 固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。对铬青铜QCr0.8和双相不锈钢1Cr21Ni5Ti进行 焊接，接头抗拉强度约350MPa，达到铬青铜QCr0.8名义强度(ab =360MPa)的97.2%。 实施例2
步骤l、熔配母合金Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超高真 空电弧炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为9X， B为0.5 %，其余为Cu; Ni基合金层按照重量百分比称量&为8%， B为 0.5%,其余为Ni，分别进行熔配。
步骤2、把上步熔配好的母合金Cu基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；步骤3、开启真空泵ll，将真空室5抽真空至0.25Pa,再从氩气 进口充高纯Ar气至1.05kPa，反复"抽真空一充Ar气"过程3次之 后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔化并 保持3min;
步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从柑 埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝 固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。对铬青铜QCr0.8和双相不锈钢1Cr21Ni5Ti进行 焊接，接头抗拉强度约346MPa，达到铬青铜QCr0.8名义强度(" =360MPa)的96%。 实施例3
步骤l、熔配母合金Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超高真 空电弧炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为20%， B为 1.0%，其余为Cu; Ni基合金层按照重量百分比称量Si为9W, B 为1.0%，其余为Ni，分别进行熔配。
步骤2、把上步熔配好的母合金Cu基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；
步骤3、开启真空泵U，将真空室5抽真空至0.15Pa，再从氩气 进口充高纯Ar气至1.0k Pa，反复"抽真空一充Ar气"过程4次之 后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔化并
保持4mins
步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩 埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝 固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。对铬青铜QCr0.8和双相不锈钢1Cr21Ni5Ti进行 焊接，接头抗拉强度约342MPa，达到铬青铜QCr0.8名义强度(crb =360MPa)的95%。 实施例4
步骤l、熔配母合金Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超高真 空电弧炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为15%， B为 0.8%,其余为Cu; Ni基合金层按照重量百分比称量&为6%， B 为0.5%，其余为Ni，分别进行熔配。
、
步骤2、把上步熔配好的母合金Cu基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；
步骤3、开启真空泵ll，将真空室5抽真空至0.15Pa，再从氩气 进口充高纯Ar气至1.0k Pa，反复"抽真空一充Ar气"过程5次之 后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔化并 保持3min',
步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩
埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝
固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。
再对T2纯铜管和1Crl8Ni9Ti不锈钢管进行对接，焊接效果良好。 实施例5
步骤1 、熔配母合金Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超高真 空电弧炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为7X， B为1.0 %，其余为Qi; Ni基合金层按照重量百分比称量Si为9W， B为 0.5%,其余为Ni，分别进行熔配。
步骤2、把上步熔配好的母合金Cu基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；
步骤3、开启真空泵ll，将真空室5抽真空至0.18Pa，再从氩气 进口充高纯Ar气至0.99k Pa，反复"抽真空一充Ar气"过程5次之 后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔化并 保持5min;
步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩 埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝 固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。
再对T2纯铜管和1Crl8Ni9Ti不锈钢管进行对接，悍接效果良好。
实施例6
步骤1 、熔配母合金Cu基母合金和Ni基母合金，分别在超髙真 空电弧炉中，按照Cu基合金层重量百分比称量Sn为20%, B为 0.5%,其余为Cu; Ni基合金层按照重量百分比称量Si为5X， B 为1.0%，其余为Ni，分别进行熔配。
步骤2、把上步熔配好的母合金Cu基合金块9和Ni基合金块 10分别放入石英坩埚2的两个内腔中；再将坩埚2放置在位于辊轮8 顶部的高频感应线圈6中；
步骤3、开启真空泵ll,将真空室5抽真空至0..25Pa，再从氩 气进口充高纯Ar气至1.05kPa，反复"抽真空一充Ar气"过程5次 之后，使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基母合金熔化 并保持5min;
步骤4、开启电机7，带动辊轮8高速旋转，随即从Ar气进口充 入高速Ar气，高速Ar气流将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩 埚下面的喷嘴迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝 固，在离心力作用下沿辊轮的切线方向甩出，得到Cu基和Ni基合 金双层合金箔条带。
再对T2纯铜管和1Crl8Ni9Ti不锈钢管进行对接,焊接效果良好。 综上所述，使用本发明的复合箔进行铜合金与不锈钢接头的焊 接，工艺简单，操作方便，效果良好。
权利要求
1、一种亚稳态Cu基和Ni基合金复合箔，由Cu基合金层和Ni基合金层组成，所述的Cu基合金层的组分按照重量百分比，其组成为Sn为7％～20％，B为0.5％～1.0％，其余为Cu；所述的Ni基合金层的组分按照重量百分比，其组成为Si为5％～9％，B为0.5％～1.0％，其余为Ni。
2、 根据权利要求1所述的亚稳态Cu基和Ni基合金复合箔，其 特征在于所述的Cu基合金层厚为15 25um，所述的Ni基合金 层厚为15 25um。
3、 一种制备权利要求1所述复合箔的方法，其特征在于该方 法使用如下的装置制备，该装置包括一真空室(5)，在真空室(5)的壁板上设置有真空 泵(11)和由电机(7)驱动的辊轮(8)，.在真空室(5)的上面连接 有小真空室(1)，小真空室(1)设置有氩气进口，小真空室(1)的 底部与坩埚(2)接通，坩埚(2)的内腔被中隔分开成两个熔炼室， 每个熔炼室的底部分别开设有一个长条型的喷嘴，坩埚(2)放置在 髙频感应线圈(6)中，高频感应线圈(6)位于辊轮(8)的上方， 在真空室(5)的侧边设置有收集室(3)，该方法按照以下步骤实施，步骤1 、分别称量母合金Cu基母合金和Ni基母合金，Cu基合 金层的组分按照重量百分比组成为Sn为7% 20%， B为0.5% 1.0%，其余为Cu; Ni基合金层的组分按照重量百分比组成为Si为5% 9°/0， 8为0.5% 1.0%，其余为Ni，对上述称量的Cu基母 合金和Ni基母合金分别进行熔配，步骤2、把上步熔配得到的Cu基母合金和Ni基母合金分别放入 坩埚(2)的两个内腔中；再将坩埚(2)放置在高频感应线圈(6) 中；步骤3、开启真空泵(11)，将真空室(5)抽真空至0.1M),25Pa， 再从氩气进口充高纯氩气至0.95~1.05k Pa，反复"抽真空一充Ar气" 过程3 5次，然后使用高频感应设备加热，使Cu基母合金和Ni基 母合金熔化并保持3 5min;步骤4、开启电机(7)，驱动辊轮(8)旋转，随即从氩气进口 充入高速Ar气，将熔化的Cu基和Ni基合金液分别从坩埚下面的喷 嘴喷出，并沿辊轮表面急冷凝固，得到Cu基和Ni基双层合金箔带。
全文摘要
本发明提供一种亚稳态Cu基和Ni基合金复合箔，由Cu基合金层和Ni基合金层两层结构组成，Cu基合金层的组分按照重量百分比Sn为7％～20％，B为0.5％～1.0％，其余为Cu；Ni基合金层的组分按照重量百分比Si为5％～9％，B为0.5％～1.0％，其余为Ni，Cu基合金层厚15～25μm，Ni基合金层厚15～25μm，解决了现有技术中存在的铜与不锈钢TLP焊接性能较差的问题。本发明的复合箔使用单辊快速凝固装置进行制备，该方法简单，易于操作。本发明的复合箔的不仅综合了铜基合金作过渡层和Ni基合金作过渡层的各自优点，非常适合铜与不锈钢的TLP焊接。
文档编号B32B15/01GK101168310SQ200710019098
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月19日 优先权日2007年11月19日
发明者徐锦锋, 翟秋亚 申请人:西安理工大学