專利名稱：一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種中溫釬料及其制備方法。
背景技術：
石墨及石墨基復合材料具有耐高溫、耐燒蝕、抗沖刷、抗熱震的特性，在航空航天、武器裝備領域具有廣泛的應用前景，由于該類材料制備和成形方法的限制，因此實現它自身或與其它材料的連接是保證石墨基復合材料在上述領域得到廣泛應用的關鍵。
目前報道的關于復合材料的連接方法有機械連接、擴散焊和釬焊等。但機械連接存在消極質量過大，氣密性無法保證等問題；而擴散焊由于需要施加較大的壓力，其可焊接的結構形式非常有限；相對于前兩種方法，釬焊具有更大的優勢如接頭不存在較重消極質量、氣密性良好、焊接中不需施加較大壓力，接頭形式不受限制等。傳統的釬焊石墨的釬料均要求釬焊溫度在850°C以上，在此溫度下，一些特殊條件下使用石墨基復合材料會喪失使用功能，經過特殊熱處理金屬母材的組織和機械性能也會受到影響。如Gr/2024A1復合材料在850°C釬焊溫度下會喪失力學性能及發汗功能；石墨與銅在850°C釬焊時，銅的晶粒會急劇長大從而影響接頭的使用性能。此外，高的釬焊溫度會增加由于接頭內部因兩種母材熱機械性能不匹配導致的殘余熱應力，極易導致接頭失效。因此，設計一種可以對石墨基復合材料進行中低溫釬焊，不影響焊接接頭性能的釬料成為亟待解決的問題。
發明內容
本發明的是為了解決現有石墨基復合材料中低溫釬焊效果不理想的問題，而提供了一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料及其制備方法。本發明的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料，按重量份數是由48 53份的Ag、19 32份的Cu、10 28份的Sn和O. I 7份的Ti組成。本發明的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數稱取48飛3份的Ag粉、19 32份的Cu粉、10 28份的Sn粉和O. 1 7份的Ti粉；二、將步驟一稱取的各組分，按球料質量比為12 16 1的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為28(T320r/min的條件下，室溫下球磨2飛h，即得混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末采用壓片機加壓6X108N/m2，得到箔片，將箔片在丙酮中超聲清洗lOmin，室溫干燥f 2h，即得中溫釬料。本發明釬料也可以采用純度滿足上述要求的金屬箔片按照所需配比直接復合使用。本發明的優點在于實現石墨基復合材料自身及與金屬的中低溫直接釬焊，焊前不需要對復合材料表面進行任何改性處理，釬料中活性元素Ti能夠實現對C的潤濕從而實現釬料與石墨基復合材料的冶金結合。焊后母材性能幾乎不受焊接熱循環的影響。本發明所獲得的Gr/2024A1復合材料與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度達到20MPa。本發明所獲得的石墨與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度為lf24MPa。本發明所獲得的C/C復合材料與金屬的釬焊接頭室溫抗剪強度達到13 21MPa。本發明的釬料可用來釬焊Gr/2024A1復合材料自身及其與鈦合金，也可以釬焊石墨、C/C復合材料等。用此釬料釬焊后的石墨基復合材料接頭具有較高的強度并能極大程度的保持接頭各部分母材的性能。
圖I為試驗I得到的Gr/2024A1與TC4的釬焊接頭電鏡圖片。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料，按重量份數是由48 53份的Ag、19 32份的Cu、10 28份的Sn和O. I 7份的Ti組成。本實施方式的優點在于實現石墨基復合材料自身及與金屬的中低溫直接釬焊，焊前不需要對復合材料表面進行任何改性處理，釬料中活性元素Ti能夠實現對C的潤濕從而實現釬料與石墨基復合材料的冶金結合。焊后母材性能幾乎不受焊接熱循環的影響。本實施方式所獲得的Gr/2024A1復合材料與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度達到20MPa。本實施方式所獲得的石墨與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度為lf24MPa。本實施方式所獲得的C/C復合材料與金屬的釬焊接頭室溫抗剪強度達到13 21MPa。本實施方式的釬料可用來釬焊Gr/2024A1復合材料自身及其與鈦合金，也可以釬焊石墨、C/C復合材料等。用此釬料釬焊后的石墨基復合材料接頭具有較高的強度并能極大程度的保持接頭各部分母材的性能。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述的中溫釬料按質量百分比是由50份的Ag、20份的Cu、27份的Sn和3份的Ti組成。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一至二不同的是所述的Ag的純度為99. 0% 99. 9%、Cu的純度為99. 0% 99. 9%、Sn的純度為99. 0% 99. 9%和Ti的純度為99. 09Γ99. 9%。其它與具體實施方式
一至二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是所述的Ag、Cu、Sn和Ti均為300目的粉末。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數稱取48飛3份的Ag粉、19 32份的Cu粉、1(Γ28份的Sn粉和O. Γ7份的Ti粉；二、將步驟一稱取的各組分，按球料質量比為12 16 1的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為28(T320r/min的條件下，室溫下球磨2飛h，即得混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末采用壓片機加壓6X108N/m2，得到箔片，將箔片在丙酮中超聲清洗lOmin，室溫干燥f 2h，即得中溫釬料。本實施方式的優點在于實現石墨基復合材料自身及與金屬的中低溫直接釬焊，焊前不需要對復合材料表面進行任何改性處理，釬料中活性元素Ti能夠實現對C的潤濕從而實現釬料與石墨基復合材料的冶金結合。焊后母材性能幾乎不受焊接熱循環的影響。本實施方式所獲得的Gr/2024A1復合材料與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度達到20MPa。本實施方式所獲得的石墨與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度為lf24MPa。本實施方式所獲得的C/C復合材料與金屬的釬焊接頭室溫抗剪強度達到13 21MPa。本實施方式的釬料可用來釬焊Gr/2024A1復合材料自身及其與鈦合金，也可以釬焊石墨、C/C復合材料等。用此釬料釬焊后的石墨基復合材料接頭具有較高的強度并能極大程度的保持接頭各部分母材的性能。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
五不同的是步驟三所述的箔片厚度為O. 01 2mm。其它與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
五至六不同的是步驟三中所述的 超聲頻率為20KHz。其它與具體實施方式
五至六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
五至七之一不同的是步驟一中所述的按重量份數稱取50份的Ag粉、20份的Cu粉、27份的Sn粉和3份的Ti粉。其它與具體實施方式
五至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
五至八之一不同的是步驟一中所述的Ag的純度為99. 0% 99. 9%、Cu的純度為99. 0% 99. 9%、Sn的純度為99. 0% 99. 9%和Ti的純度為99. 09Γ99. 9%。其它與具體實施方式
五至八之一相同。通過以下試驗驗證本發明的效果試驗I本試驗的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法是按照以下步驟進行的一、稱取4. 9g的Ag粉、2. Ig的Cu粉、2. 7g的Sn粉和O. 3g的Ti粉；二、將步驟一稱取的各組分，按球料比為6 :1的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為300r/min的條件下，室溫下球磨2h，即得混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末采用壓片機加壓6X IO8N/m2，得到箔片，將箔片用丙酮清洗lOmin，室溫干燥lh，即得中溫釬料。對本試驗得到的中溫釬料進行焊接試驗，具體步驟如下將Gr/2024A1復合材料和TC4的待焊表面的油污、氧化物用機械清理方法清理干凈。將Gr/2024A1和TC4放入丙酮中，進行超聲(超聲頻率是20KHz)清洗lOmin，將清洗后的材料自然風干后，按照從上到下Gr/2024A1復合材料/配制中溫釬料制片/TC4的形式進行裝配，并在Gr/2024A1復合材料表面施加2MPa的壓力進行固定；將裝配好的工件放入真空加熱爐中，當真空度為lX10_3Pa時，開始以10°C/min的速度加熱到680°C，保溫lOmin，然后以5°C /min的速度降溫到400°C，然后隨爐冷卻至室溫，即完成Gr/2024A1與TC4的釬焊。本試驗的Ag粉的純度為99. 9%、Cu粉的純度為99. 9%、Sn粉的純度為99. 9%和Ti粉的純度為99. 9%。經測試，Gr/2024A1與TC4的接頭室溫抗剪強度達到20MPa。對本試驗得到的Gr/2024A1與TC4的釬焊接頭進行電鏡觀察，結果如圖I所示，由圖I可知從接頭界面組織照片可以看出，使用本發明中的AgCuSnTi釬料可以在較低的釬焊溫度下實現Gr/2024A1與TC4的有效連接。通過活性主元Ti在復合材料側的有效富集，復合材料與中間層合金可以實現可靠的冶金結合。獲得的釬焊接頭具有良好的組織和力學性倉泛。試驗2本試驗的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法是按照以下步驟進行的一、稱取5. 3g的Ag粉、3. 2g的Cu粉、I. 2g的Sn粉和O. 3g的Ti粉；二、將步驟一稱取的各組分，按球料比為6 :1的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為320r/min的條件下，室溫球磨3h，即得混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末采用壓片機加壓6X IO8N/m2，得到箔片，將箔片用丙酮清洗IOmin次，室溫干燥lh，即得中溫釬料。對本試驗得到的中溫釬料進行焊接試驗，具體步驟如下將石墨和Cu的待焊表面的油污、氧化物用機械清理方法清理干凈。將石墨和Cu放入丙酮中，進行超聲(超聲頻率是20KHz)清洗lOmin，將清洗后的材料自然風干后，按照從 上到下石墨/配制中溫釬料制片/Cu的形式進行裝配，并在石墨表面施加2MPa的壓力進行固定；將裝配好的工件放入真空加熱爐中，當真空度為lX10_3Pa時，開始以10°C/min的速度加熱到760°C，保溫15min，然后以5°C /min的速度降溫到400°C，然后隨爐冷卻至室溫，即完成石墨與Cu的釬焊。本試驗的Ag粉的純度為99. 9%、Cu粉的純度為99. 9%、Sn粉的純度為99. 9%和Ti粉的純度為99. 9%。經測試，石墨與Cu的的接頭室溫抗剪強度達到If 24MP。試驗3本試驗的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法是按照以下步驟進行的一、稱取5. 6g的Ag粉、2. 4g的Cu粉、I. 7g的Sn粉和O. 3g的Ti粉；二、將步驟一稱取的各組分，按球料比為6 :1的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為300r/min的條件下，室溫球磨2h，即得混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末采用壓片機加壓6X IO8N/m2，得到箔片，將箔片用丙酮清洗lOmin，室溫干燥lh，即得中溫釬料。對本試驗得到的中溫釬料進行焊接試驗，具體步驟如下將C/C復合材料和TC4的待焊表面的油污、氧化物用機械清理方法清理干凈。將C/C復合材料和TC4放入丙酮中，進行超聲(超聲頻率是20KHZ)清洗lOmin，將清洗后的材料自然風干后，按照從上到下C/C復合材料/配制中溫釬料制片/TC4的形式進行裝配，并在C/C復合材料表面施加2MPa的壓力進行固定；將裝配好的工件放入真空加熱爐中，當真空度為I X KT3Pa時，開始以10°C /min的速度加熱到780°C，保溫20min，然后以10°C /min的速度降溫到400°C，然后隨爐冷卻至室溫，即完成C/C復合材料與TC4的釬焊。本試驗的Ag粉的純度為99. 9%、Cu粉的純度為99. 9%、Sn粉的純度為99. 9%和Ti粉的純度為99. 9%。經測試，C/C復合材料與TC4的接頭室溫抗剪強度達到13 21MPa。
權利要求
1.一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料，其特征在于用于石墨基復合材料連接的中溫釬料按重量份數是由48 53份的Ag、19 32份的Cu、10^28份的Sn和O. Γ7份的Ti組成。
2.根據權利要求I所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料，其特征在于所述的中溫釬料按質量百分比是由50份的Ag、20份的Cu、27份的Sn和3份的Ti組成。
3.根據權利要求I所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料，其特征在于所述的Ag的純度為99. 0% "99. 9%,Cu的純度為99. 0% 99. 9%,Sn的純度為99. 0% 99. 9%和Ti的純度為99. 0% 99. 9%0
4.根據權利要求I所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料，其特征在于所述的Ag、Cu、Sn和Ti均為300目的粉末。
5.如權利要求I所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法，其特征在于用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數稱取48 53份的Ag粉、19 32份的Cu粉、10^28份的Sn粉和O. Γ7份的Ti粉；二、將步驟一稱取的各組分，按球料質量比為12 16 1的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為28(T320r/min的條件下，室溫下球磨2飛h，即得混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末采用壓片機加壓6 X 108N/m2，得到箔片，將箔片在丙酮中超聲清洗lOmin，室溫干燥f 2h，即得中溫釬料。
6.根據權利要求5所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法，其特征在于步驟三中所述的箔片厚度為O. Of 2mm。
7.根據權利要求5或6所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法，其特征在于步驟三中所述的超聲頻率為20KHz。
8.根據權利要求7所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的按重量份數稱取50份的Ag粉、20份的Cu粉、27份的Sn粉和3份的Ti粉。
9.根據權利要求8所述的一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的Ag的純度為99. 0% "99. 9%,Cu的純度為99. 0% "99. 9%,Sn的純度為99. 0% 99. 9%和Ti的純度為99. 0% 99. 9%0
全文摘要
一種用于石墨基復合材料連接的中溫釬料及其制備方法，它涉及一種中溫釬料及其制備方法。本發明要解決現有石墨基復合材料中低溫釬焊效果不理想的問題。本發明按重量份數是由48~53份的Ag、19~32份的Cu、10~28份的Sn和0.1~7份的Ti組成。方法為一、稱取各組分按球料質量比為12~161的比例放入石墨坩堝中，在氬氣保護，轉速為280~320r/min的條件下，室溫下球磨2~6h，得混合粉末；二、將混合粉末加壓6~10t，得到箔片，超聲清洗室溫干燥，即得。本發明所獲得的Gr/2024Al復合材料與金屬釬焊接頭的室溫抗剪強度達到20MPa。本發明應用于航空航天領域。
文檔編號B23K35/30GK102699571SQ201210206718
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者馮吉才, 張麗霞, 曹健, 李宏偉, 田曉羽, 石俊秒 申請人:哈爾濱工業大學