一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法

1.本发明涉及一种钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法。


背景技术：

2.氟化镁(mgf2)陶瓷是一种光学功能陶瓷材料，具有很多特殊的物理化学性能，包括良好的透光率、较高的机械强度、抗热冲击性、化学稳定性、高硬度、抗腐蚀等。由于在中红外区域具有优异的光学性能，近年来在红外窗口和整流罩等光学器件方面的应用引起了广泛关注。作为透明陶瓷窗口应用时，往往需要与金属框架组合形成光学组件。在过去一直采用胶接或机械连接等方式实现对透明窗口与金属支撑体的连接，随着红外窗口对耐高温性能、机械稳定性能以及轻量化的需求，上述连接方法凸显出一些问题，比如胶接耐高温老化性差、机械稳定性弱，在服役过程中容易开裂失效，难以满足高温及长寿命服役需求；机械连接得到的构件结构复杂，易于产生应力集中，且难以满足轻量化需求。钛合金的密度通常约为4.51g/cm3，低于钢、铜和镍，仅为钢密度的60％，其比强度在金属中排名第一，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。氟化镁陶瓷与钛合金的连接本质属于陶瓷与金属异种材料连接，两者由于化学键合不同，连接难度极大，另外由于氟化镁陶瓷与钛合金热膨胀系数的差异，导致焊后残余应力问题需要解决。钎焊连接具有连接接头可靠、重复性好等优点，而成为陶瓷与金属连接最常用的方法。采用ag、cu、ti等活性钎料对金属与陶瓷进行直接钎焊具有技术简单、连接强度高、生产成本较低、重复性好等优点。氟化镁陶瓷由于f-mg键能大，采用活性钎料难以润湿，仍需开发新型连接技术。解决氟化镁陶瓷与钛合金连接难题对满足陶瓷-金属新型连接构件高强、耐热、高寿命的应用需求具有重要的实际工程应用价值。


技术实现要素：

3.本发明是要解决氟化镁陶瓷由于f-mg键能大，采用活性钎料难以润湿，导致接头的室温剪切强度低的技术问题，而提供一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法。
4.本发明的用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法是按以下步骤进行的：
5.一、装配：将母材钛合金、ag基钎料和ni基高温合金装配成三明治结构，ag基钎料位于中间；
6.二、真空钎焊：将步骤一装配好的三明治结构放入固定夹具中，置于真空钎焊炉中，加热至780℃～850℃，真空度不低于2
×
10-2
pa，保温5min～20min，然后以10℃/min～15℃/min的速率冷却至300℃～320℃，然后随炉冷至室温，得到预试样；
7.三、再装配：按照预试样/玻璃钎料/母材氟化镁陶瓷的三明治结构形式装配好，预试样中ni基高温合金一侧靠近玻璃钎料；
8.所述的玻璃钎料为铋硼酸盐；
9.四、空气钎焊：将第三步中的焊件连同夹具一起放入电阻加热炉中加热至660℃～720℃，保温10min～30min，空气气氛，然后以5℃/min～10℃/min冷却至300℃～320℃，随后随炉冷却至室温，完成氟化镁陶瓷与钛合金的钎焊连接。
10.本发明采用金属钎焊与玻璃钎焊分步连接技术，选用ni基高温合金作为中间过渡层，在母材氟化镁陶瓷与ni基高温合金中间层之间选用玻璃钎料，在ni基高温合金中间层与钛合金之间选择金属钎料，上述两个界面所使用的钎料的熔化温度差超过100℃，因此本发明采用两步焊接工艺。
11.本发明具有以下有益效果：
12.本发明用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法既解决了氟化镁陶瓷难以采用活性金属钎焊技术实现连接的问题，又解决了陶瓷/金属异种材料热匹配性差的问题，具体原因如下：一方面，通过ag基钎料可连接ni基高温合金中间层与母材钛合金，其连接机理为熔融的ag基钎料将钛合金表面溶解，溶入到液相钎料中的ti元素(来自母材钛合金)可与cu(来自ag基钎料)、ni(来自ni基高温合金)反应，在母材钛合金与ni基高温合金表面分别形成cu-ti和cu-ti-ni金属间化合物，实现钎料与母材的冶金结合；另一方面，因为氟化镁陶瓷化学稳定性极高，常用的活性金属元素ti、zr、hf等无法与氟化镁反应实现连接，而熔融的玻璃钎料可与氟化镁陶瓷发生反应，在本发明中采用的铋硼酸盐玻璃钎料(bi2o
3-b2o
3-zno)与氟化镁反应可生成氧化镁(mgo)与氟硼石相mg3(bo3)f3，从而与氟化镁陶瓷实现界面反应结合，另外熔融的铋硼酸盐玻璃钎料又可在空气条件下与ni基高温合金形成良好的界面结合，这是因为在空气条件下ni基高温合金表面被氧化形成由(cr、fe、ni)o构成的致密氧化层，该氧化层与ni基高温合金基体结合良好，不易脱落，而熔融的玻璃钎料与氧化层均由氧化物组成，两者键合相近，玻璃可润湿该氧化层，因此通过熔融玻璃可将氟化镁陶瓷与ni基高温合金中间连接起来。本发明通过两种钎焊技术实现钛合金与氟化镁陶瓷的同时还解决了两种母材因热膨胀系数差异导致残余应力大的问题，本发明选择ni基高温合金作为中间过渡层，一是该材料本身具有良好的抗氧化性能，形成的氧化膜可与ni基高温合金结合良好，可实现与玻璃钎料的结合；二是其热膨胀系数为13.5
×
10-6
k-1
，与氟化镁陶瓷热膨胀系数13.1
×
10-6
k-1
十分接近，且弹性模量高(200gpa)，可阻止焊后残余热应力向氟化镁陶瓷一侧传递，而ag基钎料具有优异的塑韧性，可有效缓解钎焊后钛合金与ni基高温合金的残余热应力，且与两侧金属(母材钛合金和ni基高温合金)都具有良好的冶金相容性，最终能够保证获得冶金质量良好且连接可靠的氟化镁陶瓷与钛合金异种材料连接接头。
13.本发明为氟化镁陶瓷在光学窗口的应用提供了技术支持。
附图说明
14.图1为实施例1中玻璃钎料粉(85bi2o
3-5b2o
3-10zno)的微观形貌图；
15.图2为实施例3中最终获得的ta15/ag-28cu/gh4169/85bi2o
3-5b2o
3-10zno/mgf2典型接头的组织照片；
16.图3为实施例3中氟化镁陶瓷与玻璃钎料反应层的xrd曲线。
具体实施方式
17.具体实施方式一：本实施方式为一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，具体是按以下步骤进行的：
18.一、装配：将母材钛合金、ag基钎料和ni基高温合金装配成三明治结构，ag基钎料位于中间；
19.二、真空钎焊：将步骤一装配好的三明治结构放入固定夹具中，置于真空钎焊炉中，加热至780℃～850℃，真空度不低于2
×
10-2
pa，保温5min～20min，然后以10℃/min～15℃/min的速率冷却至300℃～320℃，然后随炉冷至室温，得到预试样；
20.三、再装配：按照预试样/玻璃钎料/母材氟化镁陶瓷的三明治结构形式装配好，预试样中ni基高温合金一侧靠近玻璃钎料；
21.所述的玻璃钎料为铋硼酸盐；
22.四、空气钎焊：将第三步中的焊件连同夹具一起放入电阻加热炉中加热至660℃～720℃，保温10min～30min，空气气氛，然后以5℃/min～10℃/min冷却至300℃～320℃，随后随炉冷却至室温，完成氟化镁陶瓷与钛合金的钎焊连接。
23.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述ag基钎料为agcu钎料或agcuinti钎料。其他与具体实施方式一相同。
24.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的母材钛合金为ta15合金。其他与具体实施方式一或二相同。
25.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的ni基高温合金为gh4169。其他与具体实施方式一至三之一相同。
26.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述的ag基钎料为合金粉末或薄带形式。其他与具体实施方式四相同。
27.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤三中所述的玻璃钎料为玻璃粉末或玻璃片，且玻璃粉末要调成膏状。其他与具体实施方式五相同。
28.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤三中所述的铋硼酸盐为85bi2o
3-5b2o
3-10zno，系数为质量百分比。其他与具体实施方式六相同。
29.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤四中加热至660℃，保温30min。其他与具体实施方式七相同。
30.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤四中加热至700℃，保温30min。其他与具体实施方式八相同。
31.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤四中加热至720℃，保温30min。其他与具体实施方式九相同。
32.用以下试验对本发明进行验证：
33.选用agcu共晶钎料或agcuinti钎料进行钛合金与ni基高温合金的钎焊，钛合金为ta15合金，ni基高温合金中间层为gh4169，真空钎焊进行钛合金与ni基高温合金中间层的钎焊，完成后采用bi2o
3-b2o
3-zno玻璃作为玻璃钎料，进行gh4169与氟化镁陶瓷的玻璃钎焊，共进行8个实施例，具体是按以下步骤进行的：
34.一、装配：将母材钛合金ta15、ag基钎料和ni基高温合金gh4169装配成三明治结构，ag基钎料位于中间；
35.二、真空钎焊：将步骤一装配好的三明治结构放入固定夹具中，置于真空钎焊炉中，加热至780℃～850℃，真空度不低于2
×
10-2
pa，保温5min～20min，然后以10℃/min的速率冷却至300℃，然后随炉冷至室温，得到预试样；
36.三、再装配：按照预试样/玻璃钎料/母材氟化镁陶瓷的三明治结构形式装配好，预试样中ni基高温合金一侧靠近玻璃钎料；
37.所述的玻璃钎料为铋硼酸盐；
38.四、空气钎焊：将第三步中的焊件连同夹具一起放入电阻加热炉中加热至660℃～720℃，保温10min～30min，空气气氛，然后以5℃/min冷却至300℃，随后随炉冷却至室温，完成氟化镁陶瓷与钛合金的钎焊连接；其中部分工艺的具体参数以及最终接头的室温剪切强度见表1。
39.表1
[0040][0041]
图1为实施例1中玻璃钎料粉(85bi2o
3-5b2o
3-10zno)的微观形貌图，可以看出玻璃焊料粉粒径在5μm以内。
[0042]
图2为实施例3中最终获得的ta15/ag-28cu/gh4169/85bi2o
3-5b2o
3-10zno/mgf2典型接头的组织照片，其中1为钛合金ta15，2为ag-28cu，3为gh4169中间层，4为85bi2o
3-5b2o
3-10zno玻璃焊缝，5为氟化镁陶瓷母材。
[0043]
图3为实施例3中氟化镁陶瓷与玻璃钎料反应层的xrd曲线，可以看出生成了mgo和氟硼石相mg3(bo3)f3。

技术特征：
1.一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法是按以下步骤进行的：一、装配：将母材钛合金、ag基钎料和ni基高温合金装配成三明治结构，ag基钎料位于中间；二、真空钎焊：将步骤一装配好的三明治结构放入固定夹具中，置于真空钎焊炉中，加热至780℃～850℃，真空度不低于2
×
10-2
pa，保温5min～20min，然后以10℃/min～15℃/min的速率冷却至300℃～320℃，然后随炉冷至室温，得到预试样；三、再装配：按照预试样/玻璃钎料/母材氟化镁陶瓷的三明治结构形式装配好，预试样中ni基高温合金一侧靠近玻璃钎料；所述的玻璃钎料为铋硼酸盐；四、空气钎焊：将第三步中的焊件连同夹具一起放入电阻加热炉中加热至660℃～720℃，保温10min～30min，空气气氛，然后以5℃/min～10℃/min冷却至300℃～320℃，随后随炉冷却至室温，完成氟化镁陶瓷与钛合金的钎焊连接。2.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述ag基钎料为agcu钎料或agcuinti钎料。3.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的母材钛合金为ta15合金。4.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的ni基高温合金为gh4169。5.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤一中所述的ag基钎料为合金粉末或薄带形式。6.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤三中所述的玻璃钎料为玻璃粉末或玻璃片，且玻璃粉末要调成膏状。7.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤三中所述的铋硼酸盐为85bi2o
3-5b2o
3-10zno，其中bi2o3的质量分数为85％，bi2o3的质量分数为5％，zno的质量分数为10％。8.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤四中加热至660℃，保温30min。9.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤四中加热至700℃，保温30min。10.根据权利要求1所述的一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，其特征在于步骤四中加热至720℃，保温30min。

技术总结
一种用金属与玻璃钎料分步钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法，涉及一种钎焊氟化镁陶瓷与钛合金的方法。本发明是要解决氟化镁陶瓷由于F-Mg键能大，采用活性钎料难以润湿，导致接头的室温剪切强度低的技术问题。本发明采用金属钎焊与玻璃钎焊分步连接技术，选用Ni基高温合金作为中间过渡层，在母材氟化镁陶瓷与Ni基高温合金中间层之间选用玻璃钎料，在Ni基高温合金中间层与钛合金之间选择金属钎料，上述两个界面所使用的钎料的熔化温度差超过100℃，因此本发明采用两步焊接工艺。本发明为氟化镁陶瓷在光学窗口的应用提供了技术支持。瓷在光学窗口的应用提供了技术支持。瓷在光学窗口的应用提供了技术支持。


技术研发人员：孙良博 张杰 刘春凤 刘涛
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/6