航空航天领域常用高温钎料研究现状

近年来随着航空航天工业的发展,各类飞行器核心功能部件面临着使役环境愈发极端化的问题。超高速、高温等服役环境对各类零部件的整体性能提出了更高的要求,因此针对航空航天领域用高温钎料的研究尤为重要。在航空航天领域常用的高温钎料包括镍基钎料、钴基钎料、钛基钎料、锰基钎料、贵金属钎料和高熵钎料等,通常应用于不锈钢、高温合金、钛合金以及新型陶瓷材料等的钎焊连接。主要针对在航空航天领域中常用的几种高温钎料,对钎料的元素组成和特性进行总结,对钎料的成形特点和工艺进行介绍,对研究和应用现状进行分析,并对航空航天领域的钎料与钎焊技术提出建议与展望,以期为提升钎焊技术在航空航天领域的应用价值提供参考和指导。

Si调控Cu-20Sn-15Ti钎料显微组织与性能的演变行为

为通过成分调控改善Cu-Sn-Ti钎料的显微组织及性能,采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及EDS能谱分析等设备,研究了Si对Cu-20Sn-15Ti钎料显微组织与性能的影响规律。结果表明:Cu-20Sn-15Ti钎料的显微组织为大尺寸多边形状CuSn_(3)Ti_(5)相、共晶组织和α-Cu相。添加少量的Si(质量分数≤2.0%)可细化钎料中多边形状CuSn_(3)Ti_(5)相,并生成小尺寸Si_(3)Ti_(5)相,较多的Si(质量分数≥3.0%)会造成多边形状CuSn_(3)Ti_(5)相分化离散、共晶组织粗化减少,Si_(3)Ti_(5)相含量增加且粗化,当Si含量增至5.0%时,钎料不再生成多边形状CuSn_(3)Ti_(5)相和共晶组织,Ti主要用于生成Ti_(5)Si_(3)相,显微组织主要为Ti_(5)Si_(3)相、α-Cu相、Cu41Sn11相和少量条状CuSn_(3)Ti_(5)相;与Cu、Sn相比,Si与Ti具有更强的化学亲和力,Si优先与Ti反应生成Ti_(5)Si_(3)相;Ti_(5)Si_(3)相的三维组织形貌为棱柱状,且呈团聚附生特征,粗条状Ti_(5)Si_(3)相具有中心或侧面孔洞缺陷,孔洞的形成主要与其生长机制有关;随着Si含量的增加,钎料的剪切强度呈“升高-降低-升高”的趋势,断口形貌由准解理断裂和解理断裂的混合形态向解理断裂转变;CuSn_(3)Ti_(5)相易破碎开裂成为起裂源,不同粗大状态CuSn_(3)Ti_(5)相的存在均在一定程度上恶化钎料剪切强度。

TC4低熔蚀钎料设计及对接头组织和性能的影响

薄壁钛合金的焊接是制造高性能板翅式钛合金换热器的关键步骤,针对薄壁钛合金钎焊时母材熔蚀严重的问题,设计并制备了Zr-16Ti-9Cu-11Ni低熔点非晶箔带钎料,对TC4钛合金在840~980℃,保温时间10~120 min范围内进行钎焊,结合扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)以及透射电镜(TEM)分析了接头典型组织及其演变过程。结果表明,焊缝组织主要由(Ti,Zr)_(2)(Cu,Ni)化合物、α-Ti和β-Ti组成,随钎焊温度升高和保温时间延长,接头脆性相逐渐减少直至消失,母材熔蚀程度逐渐加重。通过接头抗剪强度对其性能进行评估,结果表明,当钎焊温度在940℃、保温时间10 min时,接头强度最优,为386 MPa,但此时母材熔蚀程度较大,不适合实际生产中的焊接;综合考虑母材熔蚀程度与接头抗剪强度,880~920℃为合适的生产温度区间;通过观察接头断裂路径及断口形貌,接头的断裂模式为脆性断裂。

混合钎料对镍基单晶高温合金大间隙钎焊接头组织和性能的影响

【目的】采用一种新型镍基钎料和母材成分一致的高熔点合金粉混合的方法制备出混合钎料,研究了添加的高熔点合金粉的粒径和配比对钎缝微观组织和力学性能的影响。【方法】采用扫描电子显微镜对钎焊接头的析出相、元素分布、微观组织进行了分析,并对钎焊接头的硬度及持久性能进行了测试。【结果】研究表明,接头主要由钎料合金区(FAZ)、界面连接区(IBZ)和扩散影响区(DAZ)三部分组成。钎料合金区主要由M3B2和M8B型硼化物及γ/γ′相组成。界面连接区由γ和γ′沉淀强化相组成。当合金粉粒径为44μm和75μm时,均可得到无缺陷的焊接接头;但当合金粉粒径尺寸达177μm时,钎缝内会形成孔洞缺陷。【结论】随着合金粉比例的提高,接头连接区的显微硬度有所上升。当合金配比由30%到50%,接头的持久寿命由15 h增加至34 h;但进一步提升比例至60%时,接头的持久寿命下降至0.6 h。该文的结果可为实现高温热端零部件的连接和修复工程应用提供理论依据和参考价值。

Ag-CuO-NiO-LiAlSiO_(4)复合钎料空气反应钎焊GH3128/Al_(2)O_(3)接头组织及性能

以Ag-CuO-NiO-LiAlSiO_(4)复合钎料对GH3128高温合金与Al_(2)O_(3)陶瓷进行空气反应钎焊(RAB)连接,研究了NiO和LiAlSiO_(4)添加量对钎焊接头显微结构和力学性能的影响,分析了接头的界面微观结构及其形成机制。结果表明,钎焊过程中,GH3128合金表面生成了包括CuCrO_(4)内氧化层和NiO外氧化层的复合氧化反应层,Al_(2)O_(3)陶瓷表面生成了以CuAl_(2)O_(4)为主要成分的界面层。NiO的添加明显改善了复合钎料在合金侧的润湿性,而锂霞石(LiAlSiO_(4))的添加减小了钎缝与母材间的热失配,极大地改善了键合接头的连接性能。最终,使用含0.3%NiO(质量分数)和4%LiAlSiO_(4)(质量分数)的Ag-10%CuO复合钎料钎焊GH3128合金和Al_(2)O_(3)陶瓷,获得了61.8 MPa的最大剪切强度。此时,接头界面结构为GH3128/CuCrO_(4)+CrNi3+NiO+CuO/Ag+CuO+LiAlSiO_(4)/CuAl_(2)O_(4)/Al_(2)O_(3)。

Ti_(43.76)Zr_(12.50)Cu_(37.49-x)Ni_(6.25)Co_(x)非晶钎料真空钎焊TC4钛合金/316L不锈钢

根据双团簇模型设计并制备了Ti-Zr-Cu-Ni-Co系非晶钎料,用于真空钎焊TC4钛合金和316L不锈钢,分析了钎料中Co元素含量对钎焊接头界面微观组织形貌、力学性能及断裂行为的影响规律.结果表明,钎焊接头可划分为TC4/扩散区(Ⅰ区)/钎缝中心区(Ⅱ区)/界面区(Ⅲ区)/316L,界面典型微观组织结构为TC4/β-Ti+Ti_(2)Cu/(Ti,Zr)_(2)(Cu,Ni)+Ti_(2)Cu+Ti_(2)(Cu,Ni)+TiFe/(Fe,Cr)_(2)Ti+α-(Fe,Cr)+τ+γ-(Fe,Ni)+σ/316L,随着Co元素含量的增加,接头剪切强度先升高后降低再升高,当Co元素含量为1.56%时达到最大310 MPa,不添加Co元素时,接头断裂于钎缝中心区(Ⅱ区);当Co元素含量为1.56%~6.24%时,接头断裂于靠近316L母材的界面区(Ⅲ区)附近,断裂模式为典型的解理断裂.

钎焊温度对BNi-2非晶钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢组织和性能的影响

采用BNi-2非晶钎料成功钎焊了1Cr18Ni9Ti不锈钢,通过扫描电子显微镜及能谱仪对不同钎焊温度下钎焊接头的界面微观组织进行了表征及分析,并对钎焊接头的抗剪强度进行了测试,探究了钎焊温度对接头界面组织及力学性能的影响.结果表明钎焊接头的界面微观组织从钎缝中心到母材可以被分为3个区域,钎焊温度为1050℃时钎缝区主要为Ni基固溶体+Cr-B相,扩散区分布有Fe-Ni固溶体及细小条状的σ-FeCr相,晶间渗入区中奥氏体晶间处分布着σ-FeCr相及Cr-B相.随着钎焊温度的升高,B元素扩散速度不断加快,Cr-B相的晶间渗入程度加剧;钎缝中心的块状Cr-B相逐渐减小直至1150℃时消失,钎缝区组织均匀化.在温度的作用下,钎缝宽度呈现先减小后增大的趋势.而接头的抗剪强度呈先上升后下降的趋势;最大抗剪强度出现在1050℃时,约265 MPa;而接头的断裂形式主要以韧性断裂为主.利用阿伦尼乌斯方程得到了B原子的扩散活化能为8.18×10^(4)×nJ/mol,n为时间指数.

Sn对Cu-Sn-Ti钎料显微组织与性能的影响

为揭示Sn调控Cu-Sn-Ti钎料显微组织与力学性能的规律,采用真空非自耗熔炼法制备Cu-Sn-Ti钎料,利用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪、万能材料试验机等,研究了Sn对Cu-Sn-Ti钎料的显微组织、显微硬度、剪切强度及断口形貌的影响.结果表明,钎料显微组织随Sn含量增加而演变的规律为:枝晶状初生α-Cu基体相+共晶组织+晶间组织→初生α-Cu基体相+共晶组织→共晶组织→初生CuSn_(3)Ti_(5)相+粗化共晶组织+α-Cu基体相(富Sn)+Cu_(41)Sn_(11)相+SnTi_(3)相,其中晶间组织为α-Cu相和CuSn_(3)Ti_(5)相的混合组织+少量的(SnTi_(3)+CuTi相+Cu_(3)Ti相).随着Sn含量的增加,钎料显微硬度呈先增大后减小的趋势,钎料剪切强度呈逐渐减小的趋势,断口形貌由准解理断裂向解理断裂+准解理断裂的混合形态转变.增加Sn含量促使钎料形成粗化的CuSn_(3)Ti_(5)相和共晶组织是导致钎料剪切强度下降的主要原因.

熔炼气雾化制备钴基粉末钎料在GH4169合金钎焊中应用

采用真空感应熔炼结合气雾化的方法制备了钴基Co-Cr-Ni-Si-W合金粉末,该合金粉末球具有高形度高和良好的分散性,杂质元素含量低、熔化温度范围为1073℃~1113℃。将合金粉末与粘结剂混合制成CoCrNiSiW膏状钎料,并在GH4169高温合金上进行钎焊试验,研究了钎料在母材上的润湿性能,对比了不同粒度合金粉末的钎焊性能。结果表明,在钎焊温度1180℃、保温时间10 min条件下,CoCrNiSiW合金钎料可以在GH4169合金母材表面表现出良好的润温性。使用小于325目粉末钎焊的合金接头组织更均匀、气孔缺陷相对较少,因此接头强度更高,接头的抗剪强度为127 MPa,抗拉强度为369 MPa。

Y元素对Ni-Cr非晶钎料钎焊金刚石组织和性能的影响

钎焊金刚石工具因化学冶金结合方式而具备较高的结合强度,在陶瓷、半导体和玻璃等硬脆性材料的加工行业及轨道交通、航空航天等领域中拥有广泛的应用前景。虽然Ni基钎料钎焊金刚石工具在结合强度、耐磨性及服役环境方面具有一定的优势,但是较高的钎焊温度和化学侵蚀会对金刚石磨粒造成较为严重的热损伤,从而影响金刚石工具的工作效率和服役寿命。为了降低钎焊过程中金刚石的热损伤,采用掺杂Y元素的Ni-Cr非晶钎料钎焊金刚石,通过SEM研究了钎焊金刚石试样的界面微观形貌,使用拉曼光谱仪分析了钎焊金刚石试样的石墨化程度,同时还探究了钎焊金刚石试样的力学性能。结果表明,当Y元素的质量分数为0.8%时,钎焊试样的金刚石形貌最为完整,钎焊层硬度最高为533 HV_(0.1),金刚石出露度较高为76.2%且石墨化程度较低。另外,Y元素的添加细化了碳化物的尺寸,降低了碳化物微裂纹的产生。相较于未添加Y元素的钎焊试样,添加Y元素的金刚石钎焊试样的抗压强度提升了约50.4%,磨削性能提高了43.5%,金刚石的脱落数量最少。表明,用Y元素掺杂的Ni-Cr非晶钎料可成功制备出钎焊金刚石试样,同时还降低了钎料中的触媒元素对金刚石的侵蚀作用,改善了热损伤和磨削性能。本研究为非晶钎料在钎焊金刚石工具领域中的应用提供了可靠的理论支持,并为相关工业生产提供了新的技术路径,在降低生产成本和推动绿色生产方面具有一定的实际意义。

钎料合金蠕变行为及非耦合型本构理论研究进展

在严苛的服役环境与小型化结构设计需求的双重作用下,航天仪器设备所承受的载荷不断增加并愈加复杂,而焊点、引线等封装结构作为仪器设备的薄弱环节,一旦破坏往往会导致器件甚至设备功能丧失,为了提升仪器设备的环境适应性与可靠性,需要准确把握封装结构材料蠕变行为与损伤机理,完善钎料合金本构理论并提升材料蠕变性能预测精度,发展封装结构精细化仿真分析方法。本文梳理了钎料合金蠕变性能及其影响因素,回顾了非耦合型本构理论的发展历程与研究热点,分析了相关模型的预测能力,为深入理解钎料合金蠕变行为与性能预测奠定基础。

Ni元素对Zn-22Al药芯钎料用于Cu/Al钎焊接头组织和力学性能的影响

目的:研究Ni元素对Zn-Al药芯焊丝熔化特性、铺展性能的影响。方法:在钎剂中添加一定比例的Ni粉,在钎焊过程中形成Cu/Al接头的Ni合金化,分析不同含量Ni元素添加对Zn-22Al钎料以及Cu/Al异种合金钎焊接头的性能及显微组织的影响。结果:Ni粉添加可使Zn-22Al钎料在Al板上的铺展性能得到提升,当添加量质量分数为5%时钎料铺展性能提升26.75%;当添加量质量分数为7%时,用于Cu/Al钎焊的接头抗拉强度相较于未添加Ni粉焊接接头强度提升61.79%。结论:Ni粉添加可有效改善Zn-22Al焊缝的显微组织,体现为主晶相的细化,富Zn边界相的减少,促进主晶团之间形成层片状共析组织,以及减小了Cu侧生成的铜铝金属间化合物脆性相的厚度。

Gd改性Ni-Cr钎料钎焊金刚石组织和性能研究

本研究旨在减少钎焊金刚石的热损伤,提高钎焊金刚石的力学性能。采用Gd改性的Ni-Cr合金钎料,在1080℃保温5 min对金刚石进行真空感应钎焊试验,并利用SEM、EDS及XRD对钎料的微观组织和金刚石焊后界面微结构进行测试分析。结果表明,Gd的添加提高了Ni-Cr合金钎料的力学性能,钎料中生成了两种新的稀土化合物(Gd_(2)Ni_(17)和GdNi_(5))。添加适量的Gd可提高金刚石的出露度,且钎焊接头中生成的新型Gd_(2)Ni_(17)化合物有利于减少钎焊金刚石的热损伤。此外,当Gd的添加量为0.8%时,金刚石的暴露量达到其自身高度的62.1%,力学性能测试证实使用该钎料钎焊的金刚石的静压强度和磨削性能高于使用纯镍铬合金钎焊的钻石。

Sn和Ce元素复合添加对BAg5CuZn钎料钎缝组织与性能影响

研究了Sn和Ce元素复合添加对低银BAg5CuZn钎料熔化特性、铺展性能、钎缝组织及钎焊接头力学性能的影响.结果表明,随着低银钎料中Sn和Ce元素的复合添加,钎料的固、液相线温度显著降低,钎料在母材上的铺展面积增大,但当添加的Ce元素含量高于0.15%(质量分数)时,Ce元素会恶化钎料的铺展性能.适量的Sn和Ce元素的添加可以显著改善BAg5CuZn钎料钎缝的显微组织,当添加Sn和Ce元素含量分别达到2%和0.15%时,钎缝组织明显细化且分布最为均匀.然而,钎料中Ce元素添加量过多时,会倾向于Ag和Sn元素形成复杂的金属间化合物,并在组织晶界处析出,而使得钎缝组织的均匀性显著恶化.当钎料中的Sn和Ce元素含量分别为2%和0.15%时,其钎焊接头抗剪强度达到最大值495 MPa,相比于BAg5CuZn钎料钎焊的接头抗剪强度提高了23.1%.

Ag10CuZnSn-xIn-yCe低银钎料组织及性能

通过向Ag10CuZnSn低银钎料中添加微量的In元素和Ce元素,研究了In元素和Ce元素的复合添加对低银钎料的固相线温度液相线温度和铺展性能的影响,同时分析了两种合金元素对Ag10CuZnSn钎料的显微组织及钎焊接头力学性能的影响规律.结果表明,微量In元素和Ce元素的添加可以显著地降低Ag10CuZnSn低银钎料的固相线和液相线温度,同时可以提高Ag10CuZnSn钎料在T2紫铜和304不锈钢基板上的铺展面积,当In元素和Ce元素的质量分数分别为1.5%和0.15%时,钎料在T2紫铜和304不锈钢上的铺展面积分别提升了21.1%和35.7%. In元素和Ce元素可以改善低银钎料的显微组织,当In元素和Ce元素的质量分数分别为1.5%和0.15%时,Ag10CuZnSn低银钎料显微组织的细化作用最为明显,此时304不锈钢钎焊接头的抗剪强度也达到最大值,为375 MPa.然而,质量分数3%的In元素和质量分数0.5%的Ce元素会在Ag10CuZnSn钎料的显微组织中形成脆性的Ag-In-Sn金属间化合物相和Sn-Ce稀土相,钎焊接头的抗剪强度也有所降低.

无镉钎料对PDC切削齿力学性能和微观形貌的影响

【目的】PDC钻头不仅是地质保障装备的重要组成部分,更是推动煤炭行业技术进步和效率提升的关键工具。针对目前PDC钻头采用含镉银钎料进行钎焊,而镉是污染性毒性元素,提出采用无镉环保钎料钎焊PDC钻头的新思路。【方法】从钎料与母材的润湿机制出发,采用高银含Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料对PDC切削齿和钢进行火焰钎焊。分析了不同钎料的剪切强度和PDC切削齿的焊后性能。对熔化温度最高的钎料焊前和焊后PDC切削齿进行微观形貌、元素含量和拉曼光谱分析,探究钎焊温度是否会对PDC切削齿造成热损伤。在此基础上,分析了钎缝界面组织形貌、元素扩散情况、焊后断面特征和物相组成,阐述了无镉Ag-Cu-Zn系钎料钎缝形成机理。同时测量并计算了钎料与两侧界面的润湿角和化学亲和力参数,综合评价钎缝性能。【结果和结论】研究表明:(1)4种无镉Ag-Cu-Zn系钎料均能满足PDC切削齿钎焊强度要求,其中含Mn、Ni的Ag-Cu-Zn系钎料可获得322.989MPa的强度值。(2)含Sn的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是界面处元素的微扩散;而含Mn、Ni或只含Ni的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是在界面处形成扩散层,增加了界面处的键合力。(3)含3%Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料为延性断口;含5%Sn的Ag-Cu-Zn系钎料为脆-韧混合断口。(4)Mn能降低两侧界面处富Cu相与母材的张力,而Ni只能降低钢界面处富Cu相的张力。因此,含Mn、Ni的无镉Ag-Cu-Zn系钎料强度最高。研究结果为环保型无镉钎料在PDC钻头钎焊方面的工程应用提供了理论和试验支撑,有力推动了PDC钻头的钎焊技术向更加环保、新型的方向转型升级。

化学沉淀法制备Mo-Ru钎料粉末的组织结构及钎焊性能研究

采用水合三氯化钌和钼酸铵在红外灯下化学共沉淀反应、通氢还原制备Mo-Ru粉末钎料。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射及差热分析等技术,研究粉末的形貌、成分、熔化温度、钎料与钼片、多孔钨的钎焊性能。结果表明:用化学沉淀法制备粉末大部分是MoRu化合物颗粒、少量Mo、Ru单质粉末及微量SiO_(2),粉末粒度D_(80)≤6μm,熔化后与钼片及阴极多孔钨基体浸润性良好,熔化温度为1959.7~1969.6℃,与相图上MoRu共晶钎料的熔化温度接近。

高强Cu/Al接头用的Zn基钎料及Cu表面镀层研究

铜铝接头被广泛应用于电力电子等行业。在长期运行过程中,铜铝接头易出现脆性断裂问题,严重影响其安全服役。进行了锌基钎料的成分设计,分析了钎料的各项性能,得到优化的钎料成分。对铜板表面进行化学镀镍磷层改性,采用感应钎焊和优化的钎料进行了铜铝搭接钎焊试验。结果表明:在锌基钎料中提高Al含量,添加一定量Cu、Ag、稀土元素,可以提升钎料的润湿性能、强度和耐腐蚀性能。镍磷镀层显著提升了锌基钎料在铜板的润湿性能,改变了铜铝接头的界面反应,显著细化了焊缝晶粒。采用优化的锌基钎料和化学镀镍磷层工艺得到的铜铝接头的力学性能得到显著提升,剪切强度达37 MPa,疲劳寿命达85000次。

AgCuInTi钎料对YG16硬质合金/钢接头强度的影响研究

采用AgCuInTi钎料对YG16硬质合金和碳钢进行真空钎焊试验。通过分析不同钎焊温度下的接头剪切强度和微观形貌,得到了较好的钎焊温度。并在此基础上提升钎料中的Cu、In含量,得到了不同钎料配比的接头强度。同时利用扫描电镜对接头界面处元素的扩散情况进行能谱分析。结果表明,AgCuInTi钎料在780℃钎焊较好。随着Cu、In元素的增加,钎焊接头的剪切强度增大。钎缝中In元素倾向于固溶进Ag金属中形成Ag基固溶体,还形成了Cu基固溶体,产生了固溶强化效应。钎料/钢界面处存在大量的元素扩散,比钎料/硬质合金界面处扩散更容易。

AuNi钎料钎焊TA15与K4648接头微观组织及性能

TA15钛合金与K4648高温合金异质连接件可用于航空航天发动机部件,对实现发动机轻量化及提高推重比具有重要意义。采用Au-17.5Ni(wt.%)钎料对TA15钛合金与K4648高温合金异质金属进行钎焊,研究了钎焊接头的界面组织与形成机制,分析了钎焊温度与保温时间对接头组织与性能的影响。结果表明,钎焊接头的典型组织为:TA15/β-Ti+Ti_(2)Ni+Ti_(3)Au/Ti_(2)Ni+Ti_(3)Au/富Ti相/Ti-Cr-Ni三元Laves相/(Cr,Ni)固溶体/K4648。液态钎料中的Au、Ni元素向两侧母材中扩散,同时TA15一侧母材溶解,大量Ti元素与钎缝中的Au、Ni反应,在TA15界面生成β-Ti与Ti_(3)Au、Ti_(2)Ni共析组织;溶解的Ti元素扩散至K4648界面富集并与Cr、Ni反应,生成Laves相反应层;当使用AuNi钎料在1000℃保温10 min时,接头拉剪强度最高为72 MPa。