Nb-Si基超高温结构材料的Ti-Ni-Nb钎焊料及钎焊连接工艺的制作方法

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种nb-si基超高温结构材料的ti-ni-nb钎焊料及钎焊连接工艺。

背景技术：

先进航空发动机的涡轮前温度更高，这就要求叶片材料具有更高的承温能力。目前，即使是最先进的叶片材料——第五代镍基单晶高温合金的承温能力仍不超过1150℃，且已达到其熔点的80％以上，接近其极限使用温度，难以满足未来高性能发动机的使用要求。

nb-si基超高温结构材料主要由nb的固溶体(nbss)和金属间化合物nb5si3两相组成，其中nbss具有良好的室温韧性，金属间化合物相nb5si3展现出优异的高温强度，其单胞点阵常数较大、不易发生位错蠕变，具有良好的抗蠕变性能，并在1600～1800℃下热力学稳定。具有韧/脆两相组织的nb-si基超高温结构材料由nbss提供材料的室温塑韧性，nb5si3提供高温强度，在保证优异高温强度的同时，具有一定的室温塑性，有望成为下一代先进航空发动机叶片材料。一般认为，其服役温度可以高达1200～1400℃。

nb-si基超高温结构材料具有高熔点、高刚度、低密度以及优异的高温强度，有很大潜力替代现有ni基高温合金并应用于航空航天领域。为实现其工程应用，焊接/连接是不可缺少的关键制造技术之一。目前关于这种材料连接的相关文献报道极少。采用传统ni基钎焊料bni-2(ni-7cr-5si-3b-3fe，质量百分数)、bni-5(ni-19cr-10si,质量百分数)等能实现nb-si基超高温结构的连接，但钎焊料中过高的ni含量使得接头中生成大量ni-nb、ni-b脆性金属间化合物相，导致接头中产生微裂纹、未焊合等缺陷，接头强度低。

因此，缺少用于nb-si基超高温结构材料连接的专用钎焊料，能够减少接头中脆性相的含量，得到具有较高强度的钎焊连接接头。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术状况而设计提供了一种nb-si基超高温结构材料的ti-ni-nb钎焊料及钎焊连接工艺，实现了nb-si基超高温结构材料的有效钎焊连接，获得优异室温及高温强度的钎焊接头。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种nb-si基超高温结构材料的ti-ni-nb钎焊料，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：ni：19.0～24.0，nb：19.0～21.0，余量为ti。

可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：ni：22.0～24.0，nb：19.0～21.0，余量为ti。

可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：ni：19.0～23.0，nb：19.0～21.0，余量为ti。

可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：ni：19.0～24.0，nb：20.0～21.0，余量为ti。

可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：ni：22，nb：19.0～21.0，余量为ti。

可选地，该钎焊料的化学成分及重量百分比为：ni：22，nb：20，余量为ti。

一种nb-si基超高温结构材料的钎焊连接工艺，采用了上述的ti-ni-nb钎焊料，并包括以下步骤：

步骤一、对待钎焊的第一、第二nb-si基超高温结构材料表面进行清洗，并进行装配，二者的配合间隙为0.02～0.09mm；

步骤二、将钎焊料固定于待焊的第一、第二nb-si基超高温结构材料的配合角处或置于二者之间并确保贴合紧密；

步骤三、在焊缝的顶部和底部均匀涂上氧化铝阻流剂，然后将待焊的第一、第二nb-si基超高温结构材料以及钎焊料的组合体放在真空加热炉内准备钎焊；

步骤四、调整炉内真空度优于1.2×10^-2pa时，开始升温，升温速度不大于15℃/min，钎焊连接温度为1250～1280℃，保温时间为60～150min，保温结束后随炉冷却。

可选地，钎焊料的形式是块状、带材、丝材或合金粉末。

可选地，采用对接或插接的方法对第一、第二nb-si基超高温结构材料进行装配组合。

可选地，钎焊连接温度为1270℃。

本发明技术方案的优点及有益的效果在于：

1、本发明钎焊料的铺展性能好，能在nb-si基合金表面良好润湿及铺展，且具有较好的塑性，能够加工成不同的钎焊料形式如块状、带材、丝材或合金粉末，有利于焊前钎焊料的添加与装配；

2、本发明中为降低钎焊料熔点，添加了一定含量的元素ni，且钎焊料中的ni元素含量较低，与之前公开报道的ti31-ni38-nb30和ti38-ni46-nb17(重量比)等钎焊料相比，钎焊料中元素ni的含量显著降低至19.0～24.0，从而大大降低了接头中ni-nb、ni-ti脆性化合物相的生成倾向及含量，提高接头性能；钎焊料中其余元素nb、ti均为nb-si合金母材的组成元素，使得本发明钎焊料与被焊nb-si母材相容性良好；

3、本发明钎焊料结合相关的二元合金相图理论计算和反复试验优化，获得了具有合理ti-ni-nb组分配比的钎焊料成分，具有合适的熔化温度范围即1140～1165℃，其对应的钎焊连接温度范围可以是1170～1300℃，推荐的钎焊连接温度为1250～1280℃，低于nb-si基母材的热处理温度(1450～1500℃)，对母材性能无损伤；而且，在钎焊连接温度为1250～1280℃条件下，以及被焊材料配合间隙为0.02～0.09mm时，焊缝能够实现一次焊成无需补焊，而且可以保证钎焊缝内部无溶蚀、未熔合、微裂纹等缺陷；

4、本发明钎焊料及工艺条件下所得接头的强度高，其对nb-si基超高温结构材料的接头物相主要由(nb,ti)固溶体相、nb5si3相组成，但是钎料中残余niti2化合物相含量极低，其体积占比不足1％，未生成ni-nb化合物相。而采用ni基钎料时，其较高的si、b等元素导致接头中生成大量nb-ni、ni-si、ni-b等脆性的金属间化合物相，导致接头强度较低，甚至接头中出现微裂纹。采用本发明钎焊料获得的连接接头室温弯曲强度为326mpa,达到母材强度(542mpa)的60％，与ni基钎料接头相比高出30～40％。而且连接接头具有稳定的高温性能，具体讲，接头1200℃高温弯曲强度为139mpa,达到母材1200℃高温强度(278mpa)的50％，连接接头的性能超过其它已有的常规钎焊料；

5、本发明钎焊料绿色环保、不含有毒元素，不含ag、au、pd、pt等贵金属元素。

附图说明

图1为对接接头实施例的焊接结构示意图；

图2为插接接头实施例的焊接结构示意图。

图中：1为第一待钎焊的nb-si基超高温结构材料，2为第二待焊的nb-si基超高温结构材料，3为钎焊料。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详述：

对于对接的钎焊位置参见图1，对于插接的钎焊位置参见图2，图中，将钎焊料3固定于待焊的第一、第二nb-si基超高温结构材料1、2的配合角处或置于二者之间并确保贴合紧密。

表1给出了本发明技术方案所述用于nb-si基超高温结构材料的ti-ni-nb钎焊料的成分及重量百分比组成，其中列举了16种ti-ni-nb钎焊料的实施例。

表1本发明技术方案所述钎焊料的成分及重量百分比

采用表1所示的实施例1～16的成分钎焊料，分别以块状、带材、丝材或合金粉末使用，在1250～1280℃的钎焊温度和60～150min的保温时间下，对以下11种成分(均为原子比)的nb-si基超高温结构材料进行了钎焊连接:

(1)nb-17si-23ti；

(2)nb-18si-24ti-2cr-2al-2hf；

(3)nb-16si-22ti-3cr-2al-2hf；

(4)nb-17si-20ti-8zr-2al-2hf；

(5)nb-18si-20ti-12zr-3mo-2al；

(6)nb-26si-22ti-6cr-3al-2hf；

(7)nb-16si-22ti-3cr-3al-2hf；

(8)nb-12si-24ti-4cr-4al-2hf；

(9)nb-20si-24ti-2cr-2al；

(10)nb-16si-10ti-10zr-3cr-3al-2hf；

(11)nb-16si-20ti-4v-3cr-3al-2hf。

各实施例的连接效果验证：nb-si基超高温结构材料的钎焊连接接头物相由(nb,ti)固溶体相、nb5si3相和少量niti2化合物相(其体积占比不足1％)组成，未生成ni-nb相。连接接头室温弯曲强度为326mpa,达到母材强度(542mpa)的60％，接头1200℃高温弯曲强度为139mpa,达到母材1200℃高温强度(278mpa)的50％。

另需说明的是，凡本发明中所描述的具体实施例，其钎焊料配方、工艺所用名称、被焊材料的名称和具体成分等可以不同。凡基于本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明的专利保护范围内。