形狀記憶合金、粉末冶金合金的釬焊

1、 形狀記憶合金、粉末冶金合金的釬焊形狀記憶合金作為一種新型功能材料為人們所認識, 已經(jīng)成為一個獨立的學科分支, 始 于 1963年。當時美國海軍試驗室的一個研究小組,一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)了,因為 Ti-Ni 合金工件溫度的不同, 敲擊時發(fā)出的聲音明顯有所不同, 說明其聲阻尼性能與溫度相關。 通 過進一步研究,發(fā)現(xiàn)近等原子比的 Ti-Ni 合金有著良好的形狀記憶效應,大約到 1975年左 右,相繼開發(fā)出具有形狀記憶效應的合金達 20多種。后來在一些鐵基合金、尤其是 FemnSi 基合金和不銹鋼中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應, 有些很快在工業(yè)界獲得了應用。 研究發(fā)現(xiàn), 凡是 完全具有形狀記憶效應的合金都具

2、有相變偽彈性效應,有的合金可以實現(xiàn)雙程形狀記憶效 應,有的可以實現(xiàn)全方位形狀記憶效應,還發(fā)現(xiàn) Ti-Ni 合金等在相變過程中存在著中間相, 利用中間相變的可逆性, 不僅大大地縮小溫度滯后, 且大幅度地改善了材料的疲勞壽命和記 憶效應的穩(wěn)定性。雙程形狀的記憶效應、全方位形狀記憶效應、 R 相變等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),為形 狀記憶合金的應用開拓了更廣闊的前景。目前形狀記憶合金應用幾乎涉及所有工業(yè)領域,包括電子、機械、宇航、運輸、建筑、 化學、醫(yī)療、能源、家電及日常生活用品等。其中 TiNi 形狀記憶合金是所以合金中記憶性 能最好、 最穩(wěn)定、 發(fā)展最早、 研究得最全面且應用最廣的合金, 這與其具有良好的物理性

3、能、 優(yōu)異的力學性能、良好的形狀記憶性能及特有的生物相容性能是分不開的。對 Ti-Ni 形狀記 憶合金的釬焊工藝已開展了一些研究工作,方法主要有軟釬焊、爐中釬焊、 紅外線釬焊、電 阻釬焊及激光釬焊等。Ti-Ni 形狀記憶合金的軟釬焊適用于在惰性氣氛條件下,連接 Ti-Ni 合金或 Ti-Ni 合金與其他金屬的軟釬焊方法是:首先采用一種以乙醇胺為載體、 氟化物為去膜成分、 另外至少含兩種金屬氯化物的釬劑去除 Ti-Ni 合金表面的氧化膜,同時釬劑中的金屬在母材表面形成一層熔敷金屬膜防止母材再次 被氧化; 然后在二連接工件之間加入一種釬料, 熔融的釬料與母材表面熔敷的金屬膜作用形 成接頭。Ti-N

4、i 形狀記憶合金的爐中釬焊渡邊 健彥等人研制了能在大氣中釬焊 Ti-Ni 形狀記憶合金的釬料和釬劑,但未研究釬 焊接頭的形狀記憶特性。釬焊的 Ti-Ni 合金成分為:(Ni =55.75%, (Si =0.011%, (Mg =0.028%, (O =0.117%, (N =0.002%,余 Ti 。以 BAg-7釬料與基礎研 制的釬料成分為(質量分數(shù), % :Ag59, Cu23, Zn15, Sn1, Ni2。研制的釬劑成分為(質 量分數(shù), % :AgCl25, KF25, LiCl50,該釬劑能使銀釬料在 Ti-Ni 形狀記憶合金上很好地 濕潤。釬焊分兩步進行。 第一步為預熔敷釬料, 將

5、研制的釬料及釬劑置于連接部分, 使釬料熔 化后熔敷在連接部位;第二步為連接,在熔敷釬料層的連接部位涂上通用的銀釬料用釬劑, 然后將需要連接的部件裝配在一起,并壓上 100g 重物,在爐中進行釬焊。Ti-Ni 形狀記憶合金的紅外線釬焊日本大阪大學的研究者們采用 Ag-Cu 共晶釬料 BAg-8(BAg72Cu 、添加 (Ni =0.5%3%的 Ni 的 BAg-8釬料實現(xiàn)了 Ti-Ni 合金與 SUS304不銹鋼的釬焊連接。 在紅外線加 熱爐中于氬氣保護氣氛中進行釬焊,并施加 0.5MPa 的壓力。結果表明,采用 BAg-8釬料釬 焊時, 采取較低的溫度或短的保溫時間釬焊, 在接合面上可形成均勻

6、的反應層, 接合強度為 200250MPa,最高強度可達 275MPa ,斷裂均發(fā)生在釬料與焊接件界面上所形成的 Fe-Ti 系 統(tǒng)化合物附近;采用加 Ni 的釬料釬焊時,能抑制 Fe 和 Ti 的溶解故而不形成的 Ni 3Ti 層和 NiTi 層,因為不形成 Fe-Ti 系化合物,所以接頭最高斷裂強度可提高到 400MPa 左右。 Yang T.Y. 等以 25m 和 50m 厚的純銅箔為釬料對 Ti50Ni50(摩爾分數(shù), %形狀記 憶合金進行了紅外線釬焊試驗。 釬焊在氬氣保護氣氛的紅外爐中進行。 采用彎曲試驗測定釬 焊接頭的形狀記憶效應。彎曲試樣加工成約 20mm ×5mm &

7、#215;0.5mm 是試板,在 77k (液氮 溫度下彎至 i 角,隨后加熱到不同溫度(最高 130 , i 恢復至 f ,則形狀記憶恢復率 為(i f /i 。以純銅為釬料,在 1150下釬焊 Ti50Ni50合金,接頭組織由富 Cu 相、 CuNiTi 相和 Ti (Ni , Cu 相三相組合。其中的富 Cu 相在釬焊保溫的最初 10s 快速消耗,隨后接頭中為 CuNiTi 相和 Ti (Ni , Cu 相的共晶混合物。延長釬焊保溫時間,接頭中 CuNiTi 相減少, Ti (Ni , Cu 相增加, CuNiTi 相的存在破壞接頭的形狀記憶效應,而 Ti (Ni , Cu 相即使 含有

8、大量的 Cu ,仍保持有形狀記憶的特性,因此延長釬焊保溫時間可改善接頭的形狀記憶 效應。Ti-Ni 形狀記憶合金的電阻釬焊薛松柏采用 Cu-Ni 薄帶釬料對 TI-Ni 形狀記憶合金的電阻釬焊進行了研究。 釬焊的母材 成分為(質量分數(shù), % :T43.58, Ni56.40, Mn0.01, Si0.005, Fe0.005, Cu-Ni 釬料成分為 (質 量 分 數(shù) , % :Cu55.65, Ni42.20, Mn1.47, Fe0.50, Al0.10, Si0.084, 釬 劑 為 25AgCl-25KF-50LiCl (質量分數(shù), %改進型(加入一定量的 A X B Y 。研究結果表

9、明,采用 氬氣保護比無氬氣保護接頭強度可提高 20%,最佳釬焊規(guī)范為焊接功率 6.75Kw ,焊接時間 0.1s ,焊接壓力 0.14Mpa 。電阻釬焊過程對母材的熱影響極小,沒有明顯的熱影響區(qū),形成 了連續(xù)致密的釬縫, 釬縫中發(fā)現(xiàn)了對形狀記憶效應有益的 Ti 3Ni 4化合物相。 最佳規(guī)范下電阻 釬焊接頭的抗拉強度為 577Mpa.Ti-Ni 形狀記憶合金與不銹鋼的激光釬焊李明高等人對 Ti-Ni 形狀記憶合金與 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的激光釬焊進行了試驗研究。 研 究的形狀記憶合金母材為 Ti50.2-Ni49.8(摩爾分數(shù), % ,釬料為專門研制的 AgCuZnSn 釬 料絲 (0

10、.5mm , 其成分為 (質量分數(shù), % 52Ag-22Cu-18Zn-8Sn , 熔化溫度為 590630。 研究結果表明,研制的 AgCuZnSn 釬料對 Ti-Ni 形狀記憶合金及不銹鋼潤濕性良好,采用該 釬料的激光釬焊適合于 TI-Ni 形狀記憶合金與不銹鋼異質接頭的連接。 激光輸出功率和釬焊 保溫時間對 TI-Ni 形狀記憶合金熱影響區(qū)的超彈性和形狀記憶效應有明顯的影響, 激光輸出 功率和釬焊時間從 50W/10s增至 70W/20s, 使形狀記憶合金母材熱影響區(qū)的室溫殘余應變 從 91.6%降至 62.1%, 形狀記憶合金母材熱影響區(qū)形狀記憶效應的惡化歸因于熱影響區(qū)的粗 晶結構。采

11、用 AgCuZnSn 釬料激光釬焊 Ti50.2-Ni49.8形狀記憶合金與 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼, 接頭抗拉強度可達 320360Mpa。關于粉末冶金合金的釬焊粉末冶金是當前發(fā)展的一種新工藝, 其定義概括地說來, 就是制取金屬或合金粉末 (有 時也加入少量非金屬粉, 如 THO 2, Y 2O 3等 , 并將這些粉末裝入模具或包套中壓制成形 (也 有不加壓的 ,然后在一定溫度下燒結固化,即燒結成金屬制品或金屬坯的制造工藝。有時 加壓和加熱同時進行, 稱為熱壓。 這種工藝的優(yōu)點是能制造熔煉法所得不到或難以得到且具 有獨特性能優(yōu)點的制品。 如合金成分組織均勻,無宏觀偏析, 性能穩(wěn)定,可進

12、一步提高合金 化程度,合金晶粒細小,加工性能好,金屬利用率高,成本低等。目前已用于高速鋼、合金 鋼、鋁合金、鈦合金等多種材料結構件的制造。特別是由于航空工業(yè)的要求,粉末及機械合 金化高溫合金獲得迅速發(fā)展, 其質量已能滿足飛機發(fā)動機轉動部件的要求, 并用于制造壓氣 機盤、 渦輪機盤和渦輪軸套、葉片等部件。與此相對應, 粉末冶金合金連接工藝的研究也越 來越受到人們的重視,方法有膠接、熔化極氣體保護焊、摩擦焊、電子束焊、激光焊等,其 中釬焊應用最為廣泛。 從列表中可見粉末合金的的成分基本上仍為同牌號鑄造或變形合金的成分, 如 Rene95、 IN100,只不過是適當降低碳含量以適應粉末冶金工藝的要求

13、,因此對其釬焊同高溫合金類 似。粉末冶金高溫合金雖然成分上接近于同牌號高溫合金, 但畢竟其組織、 個別元素含量有 所區(qū)別, 因此釬焊時, 有兩點應引起人們注意:一是高的釬焊溫度會使細晶粒的粉末冶金合 金母材在釬焊過程中發(fā)生晶粒嚴重長大, 導致中溫強度的大幅度下降; 另一個問題是粉末冶 金合金的超細晶粒, 可能會造成在釬焊是硼和硅的反?？焖贁U散, 從而在接頭中產(chǎn)生過量的 孔洞。 當然, 快速擴散也有其有利的一面, 即可縮短為改善性能而進行的焊后擴散處理時間。 粉末冶金高溫合金可以在真空或可控氣氛中采用金基或鎳基釬料釬焊。 金基釬料主要用 于要求優(yōu)良的抗氧化及耐腐蝕能力、良好的接頭韌性及最小的釬料 /母材反應的場合。但金 基釬料的高成本使其大量應用受到了限制,更多情況下是采用成本較低的鎳基釬料,如 BNi-1a , BNi-2, BNi-3, BNi-4, BNi-5(國內對應牌號分別為 BNi75CrSiB , BNi82CrSiB , BNi92SiB , BNi93SiB , Bni71CrSi 。鎳基釬料在溫室下呈脆性,因此通常以粉狀、膏狀、粘帶或非晶態(tài)形式使用。 美國底特律