[发明专利]一种高强石墨与钛合金钎焊用合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强石墨与钛合金钎焊用合金及其制备方法。  

背景技术

石墨是一种具有低原子量的高强度材料。它具有相对密度较低，热传导性高，热容量高以及抗冲击性优良的性质，同时还具有升华点较高（3850℃）的一系列优异的特性。使得其成为唯一可用于高达2800℃的高温材料而广泛应用于能源、航空航天、电子等领域。钛及钛合金是一种新型轻质合金材料，它具有较高的比强度、耐高温和抗腐蚀性等一系列优良性能。石墨与钛合金的焊接件同时具备两者的优点，在国防军工、民用科技方面有很广阔的发展前景。但石墨与钛合金的焊接问题以及焊接强度是目前急需解决的问题。

石墨材料与钛合金的焊接，可以选用两种方法：1. 使石墨表面金属化，再用普通的常规钎料对其钎焊；2. 用含有活性元素Ti、Zr、Pd等的钎料直接对石墨/钛合金进行连接。石墨金属化工艺复杂、技术难度高，加之成本高昂，使得目前大多数研究者倾向于第二种焊接方法，钎料中的活性元素Ti可与石墨中的C元素发生化学反应，生成TiC，增强两者之间的连接。目前研究的Ag基合金，其焊接件的使用温度较低（不到400℃）；Ti-Ni钎料合金，焊接温度高达1420℃，并且在高温下Ti跟石墨反应异常激烈，可生成很厚的碳化层，容易由于热应力而导致裂纹的产生；TiZrNiCu四元合金钎料成分复杂，容易形成多种共晶化合物，使得接头强度降低，并且Zr元素的扩散能力较低，对接头连接性能起作用不大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强石墨与钛合金钎焊用合金，能改善石墨与钛合金之间的物理和化学相容性，提高连接件之间的连接强度。

为了达到上述目的，本发明的合金元素重量百分比为：Ti 50～65%、Cu 30～45%、Si 5～10%。

本发明的另一目的是提供一种高强石墨与钛合金钎焊用合金的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的方法包括以下步骤：

1）按重量百分比为：Ti 50～65%、Cu 30～45%、Si 5～10%配料；

2）在真空度为5×10^-3～8×10^-3Pa、电弧电流1100～1300A下进行真空电弧熔炼，电磁搅拌1～3分钟，再冷却。

本发明加入Ti、Si元素，与石墨反应形成TiC和SiC化合物，由于TiC的熔点高达3150℃，在高温下具有高强度，是接头获得高重熔温度和高温机械性能的重要原因，同时生成TiC的反应，可以降低液态金属与石墨之间的界面能，从而大大改善液态钎料和石墨之间的润湿性；在高温条件下，生成的SiC（俗称金刚砂，熔点为2730℃）的硬度介于刚玉（莫氏硬度为9.0）和金刚石（莫氏硬度为10）之间，具有很好的高温机械性能。因此，从石墨侧到钛合金侧的化合物形成的梯度层依次主要为：C/TiC+SiC/TiSi+Ti₅Si₃+Ti₂Cu /Ti，TiC和SiC能改善连接合金对石墨材料的化学相容性。本发明加入Cu元素，能降低钎料合金的熔化温度，与钛合金反应生成Ti₂Cu，提高与钛合金的连接强度，并且Cu基固溶体的存在可以阻碍或延缓裂纹的扩展，对提高街头性能有利，同时改善钎料合金对钛合金的物理相容性。本发明的方法采用真空电弧熔炼（温度控制）和电磁搅拌能确保合金成分的均匀性。

综上所述，本发明能够优化合金成分，在反应界面处形成多种高温机械性能良好的化学反应产物。由于Cu的加入，使得合金熔融温度范围为（1100～1200）℃，有效降低钎焊温度；同时由于众多高温相（TiC熔点为3150℃；SiC熔点为2730℃；Ti₂Cu熔点为990℃）的生成，提高了焊接接头的使用温度。合金中，Ti与Si元素能与石墨基体形成TiC和SiC高温高强化合物，Cu与钛合金生成Ti₂Cu，分别增强了合金与石墨/钛合金之间的连接性能，改善与两者之间的理化相容性。

具体实施方式

实施例1

首先，按重量百分比：Ti 50%、Cu 45%、Si 5%配比成合金原料。其次，将合金原料置于真空电弧熔炼炉内，真空度6×10^-3Pa、电弧电流1100A产生的高温下进行真空电弧熔炼，电磁搅拌3分钟使合金成分均匀，冷却。最后，将制得的合金块机械线切割或热轧至需要的箔、板材；或者采用快速冷凝技术将合金块制备成金属合金粉末即得本发明的石墨与钛合金用连接合金。

实施例2