一种钛-铝金属间化合物与镍基合金钎焊用梯度复合钎料及其制备方法

本发明涉及钎焊，具体而言，涉及一种梯度复合钎料成分配方及其制备方法，具体属于钛-铝金属间化合物与镍基合金钎焊领域。

背景技术：

1、镍基合金主要用作航空涡轮发动机中的燃烧室、涡轮叶片、导向叶片和涡轮盘。在航天火箭发动机上，主要用作涡轮盘，此外还有发动机轴、燃烧式隔板以及喷管等。镍基合金在高温合金领域具有如此大的吸引力的原因在于，镍基高温合金性能兼具优异的耐热强度、抗高温氧化性、抗燃气腐蚀的能力以及长期的组织稳定性。采用同样具有优异的抗氧化和高温力学性能的钛-铝金属间化合物(3.7～4.7g/cm3)替代部分高密度镍基合金(7.9～9.5g/cm3)，从而组成的钛-铝/镍异质金属复合构件将具有卓越的比强度。这能够极大提升航空航天飞行器的巡航历程和飞行速度，同时降低燃油效率。

2、目前常用的钛-铝金属间化合物与镍基合金的连接方式包括真空钎焊、扩散焊以及激光焊等。然而钛-铝金属间化合物与镍基合金存在着巨大的物理性能和化学性能差异，致使钛-铝/镍焊缝存在较高的残余应力同时生成相互连接的大厚度金属间化合物层，从而导致钛-铝/镍异质金属接头较低的强度。

技术实现思路

1、本发明针对钛-铝金属间化合物和镍基合金钎焊时钎缝中由于钛-铝母材元素扩散及溶蚀，从而在钎缝中生成大厚度的钛-基金属间化合物，大差异的晶粒尺寸分布及钎缝中存在塑-韧性差等问题，提供一种梯度复合钎料及其制备方法。由于梯度复合钎料在钛-铝金属间化合物与镍基合金两侧界面存在的固液界面时空迟滞效应及元素迟滞扩散效应，减少了钎缝中钛-基金属间化合物含量及界面金属间化合物厚度，调控了钎缝中晶粒尺寸及塑-韧性，得到了与钛铝母材强度等同的钎焊接头，实现了异质母材之间的高强连接。

2、本发明提供一种钛-铝金属间化合物与镍基合金钎焊用梯度复合非晶钎料(zrmti75-m-ntanni25-ocuo/ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges)，包括zrmti75-m-ntanni25-ocuo和ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges两层非晶钎料复合而成，式中m、n、o、p、q、r、s分别表示各对应组分的原子百分比，且满足以下条件：m为12.5～25at.％，n为0～12.5at.％，o为6.25～18.75at.％，q为0～20at.％，p为6.67～26.67at.％，r为0～13.33at.％，s为0～13.33at.％。

3、本发明设计梯度复合钎料成分：基于团簇加连接原子模型，团簇的基本式为[中心原子-壳层]-(连接原子)x，分别在ti-ni和ni-b二元相图中选取tini和nib共晶点，并得到团簇式[ni-ni3ti9]ni3和[b-ni9]b3ni2，同时用zr、ta和cu替换[ni-ni3ti9]ni3式中的ti和ni，用cr、cu和si、ge原子替换[b-ni9]b2ni团簇式中的ni和b原子从而得到[ni-ni3ti9-m-nzrmtan]ni3-ocuo和[b-ni9-p-qcrpcuq]b3-r-ssirgesni2。通过团簇试中原子百分比得到钎料中各元素的原子百分比，并得到表达式为(zrmti75-m-ntanni25-ocuo/ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges)，m为12.5～25at.％，n为0～12.5at.％，o为6.25～18.75at.％，q为0～20at.％，p为6.67～26.67at.％，r为0～13.33at.％，s为0～13.33at.％。

4、基于以上技术方案，优选的，所述梯度复合钎料中的ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges非晶钎料装配于镍基合金一侧，zrmti75-m-ntanni25-ocuo非晶钎料装配于钛-铝金属间化合物一侧。

5、基于以上技术方案，优选的，钎焊母材与梯度复合钎料的装配次序依次为：钛-铝金属间化合物/(zrmti75-m-ntanni25-ocuo/ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges)/镍基合金。

6、基于以上技术方案，优选的，所述镍基合金为k4169、gh4169、gh4163或inconel600。

7、基于以上技术方案，优选的，所述钛-铝金属间化合物为ti3al、γ-tial或β-tial；例如钛-铝金属间化合物为49.50ti-46.32al-2.28nb-1.90cr,at.％。

8、基于以上技术方案，优选的，本发明的梯度复合钎料的合金原子百分比表达式分别为(zr25ti18.75ta12.5ni25cu18.75/ni53.33cr20b16.67si10)和(zr25ti25ta6.25ni25cu18.75/ni53.33cr20b16.67si10)。

9、将梯度复合钎料对应的原子百分比换算成质量百分比，得到钎料合金的具体质量百分比表达式，其对应的合金质量百分比表达式分别为(zr28.16ti11.08ta27.93ni18.12cu14.71/ni69.09cr21.54b4.48si4.9)和(zr31.38ti16.47ta15.56ni20.19cu16.40/ni69.09cr21.54b4.48si4.9)。

10、本发明另一方面提供上述梯度复合钎料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

11、步骤一、分别熔炼zrmti75-m-ntanni25-ocuo合金锭和ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges合金锭：按梯度复合钎料成分预定质量百分比，将ti、zr、ni、cu、ta、cr、b、si和ge原料(纯度99.9％以上)进行纯元素称量混合(制备zrmti75-m-ntanni25-ocuo合金锭时，混合成分为ti、zr、ni、cu和ta，制备ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges合金锭时，混合成分为ni、cu、cr、b、si和ge)，并使用真空电弧熔炼炉进行熔炼，其真空度需≤6.0×10-3pa，且至少重复熔炼5次以保证得到成分均匀的合金锭，分别得到zrmti75-m-ntanni25-ocuo合金锭和ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges合金锭。

12、步骤二、分别制备zrmti75-m-ntanni25-ocuo非晶钎料箔带和ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges非晶钎料箔带：将熔炼完成的合金锭剪成小块状，放入扁口石英管，同时将石英管装配于具有感应加热线圈的铜辊快速凝固设备中，石英管的扁口喷嘴与铜辊表面的距离设定为0.3-0.8mm，优选为0.5mm。首先将快速凝固设备腔体的真空度抽至≤3.0×10-3pa，开始感应加热石英管中的合金锭，感应加热电流设置为5～10a。合金锭熔化后，在0.05～0.1pa(优选为0.04～0.06pa)的喷射压作用下，熔融合金液向高速转动的铜辊表面(线速度为10～60m/s，优选为40m/s)连续喷射，5～30s后关闭高速转动的铜辊，得到均匀的钎料箔带，即分别得到所述的zrmti75-m-ntanni25-ocuo非晶钎料箔带和ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges非晶钎料箔带。

13、步骤三、将zrmti75-m-ntanni25-ocuo非晶钎料箔带和ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges非晶钎料箔带粘结而成梯度复合钎料。

14、基于以上技术方案，优选的，zrmti75-m-ntanni25-ocuo钎料箔带的厚度为60～80μm，ni73.33-p-qcuqcrpb26.67-r-ssirges钎料箔带的厚度为40～60μm，梯度复合钎料的厚度为100～150μm，宽度为10mm～25mm。

15、基于以上技术方案，优选的，所述树脂为氰基丙烯酸乙酯或聚乙烯醇。

16、本发明的梯度复合钎料，由于具有固-液界面时空迟滞效应及元素迟滞扩散效应，同时钎料中zr、ta和cu原子分别替换团簇中的ti和ni原子，cr、cu和si、ge原子分别替换团簇中的ni和b原子，有效减少了钎缝中钛-基脆性金属间化合物的含量，增加了钎缝中ni固溶体含量，并且消除了区域i平齐的固态扩散反应层，细化了钎缝中晶粒尺寸，最终提高钎焊接头的强度与钛铝母材相当；本发明的梯度复合钎料具有较高的非晶成形能力和流动性，制备出的梯度复合钎料具有合适的宽度和厚度，复合工艺简洁，便于实验和生产装配，具有广阔的应用前景。