用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料及制备方法.pdf

本发明公开了一种用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr 10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In之一。本发明还公开了该种高熵合金钎料箔材的制备方法，利用超高真空电弧炉分步熔炼，再应用单辊快速凝固装置制备，得到高熵合金钎料箔材。本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与被焊金属及合金的匹配性好、钎缝耐腐蚀性能良好，焊缝为单相fcc固溶体组织，接头综合机械性能较高。

1、  一种用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料，其特征在于：由以下组分按原子百分比组成：
总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr 10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In之一。

2、  一种权利要求1所述高熵合金钎料的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤实施，
步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：
A1、按以下原子百分比称量好各高纯金属组分：总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr 10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In之一；用硼酐将各种高纯金属组分进行净化处理；
A2、将步骤A1处理好的各高纯金属组分，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Zr、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；
A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Zr与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；
A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Zr-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；
步骤B、应用单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料箔材，把步骤A4得到的高熵母合金放入坩埚中，开启真空泵，抽真空至0.02±0.005Pa后充高纯Ar气至1.0±0.05kpa；反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，开启高频感应线圈加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机带动辊轮高速旋转，将辊轮的辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮的辊表面并瞬间急冷凝固，在离心力作用下沿辊轮切线方向甩出，得到高熵合金钎料箔材。

用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料及制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料，本发明还涉及该种高熵合金钎料的制备方法。
背景技术
近年来，随着航天技术的快速发展，硬质合金与钢焊接结构的应用越来越多，对其焊接接头性能的要求也越来越高。但是，由于硬质合金与钢的线膨胀系数差异较大，焊接接头往往存在较大的残余应力，容易产生焊接裂纹，二者的焊接性较差。生产上常采用钎焊的方法来实现硬质合金与钢的焊接。通常使用的传统钎料是Ni82和Cu3。目前，应用快速凝固技术获得的铜基急冷钎料，具有成分组织均匀、纯净度高、浸润性和流动性好、物理性能和力学性能优良的特性，使硬质合金与钢钎焊接头质量得到显著地提高。然而，由于铜基钎缝的强度及耐蚀性与基体合金差异较大，焊接结构在使用过程中常常会因钎缝的失强或过度腐蚀而发生接头的失效，影响焊件的使用寿命。研制新的适用于硬质合金与钢焊接的高性能钎料显得非常迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料，该种钎料具有优良的强度、韧性及耐腐蚀性等综合性能，而且铺展性和填缝性好，易于获得高性能的硬质合金/钢钎接的接头。
本发明的另一目的在于提供上述高熵合金钎料的制备方法。
本发明采用的技术方案是，一种用于焊接硬质合金与钢的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr 10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In之一。
本发明采用的另一技术方案是，一种上述高熵合金钎料的制备方法，该方法按照以下步骤实施，
步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：
A1、按以下原子百分比称量好各高纯金属组分：总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In之一；用硼酐将各种高纯金属组分进行净化处理；
A2、将步骤A1处理好的各高纯金属组分，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Zr、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；
A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Zr与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；
A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Zr-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；
步骤B、应用单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料箔材，把步骤A4得到的高熵母合金放入坩埚中，开启真空泵，抽真空至0.02±0.005Pa后充高纯Ar气至1.0±0.05kpa；反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，开启高频感应线圈加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机带动辊轮高速旋转，将辊轮的辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮的辊表面并瞬间急冷凝固，在离心力作用下沿辊轮切线方向甩出，得到高熵合金钎料箔材。
本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；具有优良的强度、韧性及耐腐蚀性等综合性能，而且铺展性和填缝性好，接头综合力学性能显著提高。
附图说明
图1是本发明中使用的一种装置的结构示意图。
图中，1、小真空室，2、坩埚，3、收集室，4、箔材，5、真空室，6、高频感应线圈，7、单相异步电机，8、辊轮，11、真空泵。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr 10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In其中之一。
在本发明的高熵合金钎料成分中，各组分及含量限定理由是：
为了提高硬质合金/钢接头的综合力学性能，高熵钎料主元选择Ti-Cu-Ni-Zr-Fe-Cr多主元系合金。主要原因有4点：①考虑到钎料对硬质合金与钢的润湿性，须添加Fe、Cu、Ni、Cr诸主元，以便于获得具有单相fcc固溶体微结构的塑韧性较高的钎缝；②为了获得成分纯净、均匀的钎缝金属，钎料中需添加非晶形成能力较强的Zr主元；③钎料中的Ti是以活性组元的功能加入；④通过在合金中添加Sn和微量元素(Bi、In或Ga之一)，调节钎料熔点，改善钎料活性，细化晶粒，提高接头性能。
本发明的高熵合金钎料的制备方法，使用单辊快速凝固装置进行制备，该装置的结构如图1所示，包括在真空室5内设置有由单相异步电机7传动的铜质的辊轮8，在辊轮8的正上方设置有高频感应线圈6，高频感应线圈6中设置有的圆柱形的石英坩埚2，坩埚2的下端开有与辊轮8平行的0.4±0.05mm宽的缝隙式喷嘴，真空室5设置有真空泵11与外部连通；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的底部与坩埚2的上端开口连通，在真空室5内的侧边设置有收集室3，制备出的箔材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，选用角速度可调的单相异步电机7，能满足不同厚度箔材的制备需要。
本发明的高熵合金钎料的制备方法，使用上述装置按照以下步骤实施，
步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：
A1、按以下原子百分比称量好各个高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti 10％～15％、Cu 18％～25％、Ni 12％～18％、Zr 10％～15％、Fe 15％～20％、Cr 10％～15％、Sn 0.5％～2.5％、微量元素0.01％～2％，微量元素选取Bi、Ga或In其中之一，各高纯金属的纯度为99.99％；再用硼酐将称量好的各高纯金属进行净化处理；
A2、将步骤A1净化处理好的各高纯金属按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Zr、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；
A3、将步骤A2得到的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Zr与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；
A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Zr-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；
步骤B、应用上述的单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料箔材，把步骤A4得到的高熵母合金放入坩埚2中，开启真空泵11，抽真空至0.02±0.005Pa后充高纯Ar气至1.0±0.05kpa；反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，开启高频感应线圈6加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机7带动辊轮8高速旋转，将辊轮8的辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮8的辊表面并瞬间急冷凝固，在离心力作用下沿辊轮切线方向甩出，落入收集室3中收集，得到高熵合金钎料箔材。
采用上述方法制备的高熵钎料箔材厚度为25～60μm，宽约3～7mm，长约1～2m。
用高熵合金钎料焊接硬质合金/钢的试样接头装配时，先将箔材置于待焊硬质合金与钢之间，然后按照常规真空钎焊方法对装配好了的接头进行加热、保温和凝固，实现铜与铝的钎焊连接。使用本发明的高熵合金钎料箔进行硬质合金/钢接头的钎焊工艺简单，操作方便。
以下以具体实施例来进行说明。
实施例1：依照表1中百分比称取各高纯金属组分，按照以下步骤实施，
步骤A、利用超高真空电弧炉熔配母合金：
A1、首先按照表1中的原子百分比分别称取各高纯金属Ti、Zr、Fe、Cu、Ni、Cr、Sn及微量元素Bi，各高纯金属的纯度为99.99％，用硼酐将各高纯金属进行净化处理；
A2、将步骤A1处理好的各种高纯金属，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Zr、Fe-Cr-微量元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；
A3、将步骤A2得到的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Zr与Fe-Cr-微量元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；
A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Zr-Fe-Cr-微量元素进行熔配，得到高熵母合金；
步骤B、应用上述的单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料箔材，把步骤A4得到的高熵母合金放入坩埚2中，开启真空泵11，抽真空至0.02±0.005Pa后充高纯Ar气至1.0±0.05kpa；反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，开启高频感应线圈6加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机7带动辊轮8高速旋转，将辊轮8的辊面线速度控制在5m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮8的辊表面并瞬间急冷凝固，在离心力作用下沿辊轮切线方向甩出，落入收集室3中收集，得到高熵合金钎料箔材。
制备出的非晶态高熵合金钎料箔材厚约60μm，应用该高熵合金钎料箔材，对0Cr18Ni9Nb与YG6进行焊接，接头拉剪强度约210.3MPa。
实施例2：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，微量元素取Ga，将辊面线速度控制在12m/s，可制备出厚约55μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对0Cr18Ni9Nb与YG6进行焊接，接头拉剪强度约221.4MPa。
实施例3：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，微量元素取In，将辊面线速度控制在15m/s，可制备出厚约45μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对25Cr3MoA与YG6进行焊接，接头拉剪强度约198.6MPa。
实施例4：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，微量元素取Bi，将辊面线速度控制在20m/s，可制备出厚约40μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对25Cr3MoA与YG6进行焊接，接头拉剪强度约194.8MPa。
表1为各个实施例的数据表