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(rèn)識(shí), 已經(jīng)成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支, 始 于 1963年。當(dāng)時(shí)美國(guó)海軍試驗(yàn)室的一個(gè)研究小組,一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)了,因?yàn)?Ti-Ni 合金工件溫度的不同, 敲擊時(shí)發(fā)出的聲音明顯有所不同, 說(shuō)明其聲阻尼性能與溫度相關(guān)。 通 過(guò)進(jìn)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(yīng),大約到 1975年左 右,相繼開發(fā)出具有形狀記憶效應(yīng)的合金達(dá) 20多種。后來(lái)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(yīng), 有些很快在工業(yè)界獲得了應(yīng)用。 研究發(fā)現(xiàn), 凡是 完全具有形狀記憶效應(yīng)的合金都具

2、有相變偽彈性效應(yīng),有的合金可以實(shí)現(xiàn)雙程形狀記憶效 應(yīng),有的可以實(shí)現(xiàn)全方位形狀記憶效應(yīng),還發(fā)現(xiàn) Ti-Ni 合金等在相變過(guò)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(yīng)的穩(wěn)定性。雙程形狀的記憶效應(yīng)、全方位形狀記憶效應(yīng)、 R 相變等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),為形 狀記憶合金的應(yīng)用開拓了更廣闊的前景。目前形狀記憶合金應(yīng)用幾乎涉及所有工業(yè)領(lǐng)域,包括電子、機(jī)械、宇航、運(yùn)輸、建筑、 化學(xué)、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(yīng)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(xué)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(duì) 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(shí)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(chǔ)研 制的釬料成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù), % :Ag59, Cu23, Zn15, Sn1, Ni2。研制的釬劑成分為(質(zhì) 量分?jǐn)?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(rùn)。釬焊分兩步進(jìn)行。 第一步為預(yù)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(jìn)行釬焊。Ti-Ni 形狀記憶合金的紅外線釬焊日本大阪大學(xué)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(shí)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(hù)氣氛中進(jìn)行釬焊,并施加 0.5MPa 的壓力。結(jié)果表明,采用 BAg-8釬料釬 焊時(shí), 采取較低的溫度或短的保溫時(shí)間釬焊, 在接合面上可形成均勻

6、的反應(yīng)層, 接合強(qiáng)度為 200250MPa,最高強(qiáng)度可達(dá) 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(shí),能抑制 Fe 和 Ti 的溶解故而不形成的 Ni 3Ti 層和 NiTi 層,因?yàn)椴恍纬?Fe-Ti 系化合物,所以接頭最高斷裂強(qiáng)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(duì) Ti50Ni50(摩爾分?jǐn)?shù), %形狀記 憶合金進(jìn)行了紅外線釬焊試驗(yàn)。 釬焊在氬氣保護(hù)氣氛的紅外爐中進(jìn)行。 采用彎曲試驗(yàn)測(cè)定釬 焊接頭的形狀記憶效應(yīng)。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(fù)至 f ,則形狀記憶恢復(fù)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(zhǎng)釬焊保溫時(shí)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(yīng),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(zhǎng)釬焊保溫時(shí)間可改善接頭的形狀記憶 效應(yīng)。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(duì) TI-Ni 形狀記憶合金的電阻釬焊進(jìn)行了研究。 釬焊的母材 成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù), % :T43.58, Ni56.40, Mn0.01, Si0.005, Fe0.005, Cu-Ni 釬料成分為 (質(zhì) 量 分 數(shù) , % :Cu55.65, Ni42.20, Mn1.47, Fe0.50, Al0.10, Si0.084, 釬 劑 為 25AgCl-25KF-50LiCl (質(zhì)量分?jǐn)?shù), %改進(jìn)型(加入一定量的 A X B Y 。研究結(jié)果表

9、明,采用 氬氣保護(hù)比無(wú)氬氣保護(hù)接頭強(qiáng)度可提高 20%,最佳釬焊規(guī)范為焊接功率 6.75Kw ,焊接時(shí)間 0.1s ,焊接壓力 0.14Mpa 。電阻釬焊過(guò)程對(duì)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(duì)形狀記憶效應(yīng)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(qiáng)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(duì) Ti-Ni 形狀記憶合金與 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的激光釬焊進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 研 究的形狀記憶合金母材為 Ti50.2-Ni49.8(摩爾分?jǐn)?shù), % ,釬料為專門研制的 AgCuZnSn 釬 料絲 (0

10、.5mm , 其成分為 (質(zhì)量分?jǐn)?shù), % 52Ag-22Cu-18Zn-8Sn , 熔化溫度為 590630。 研究結(jié)果表明,研制的 AgCuZnSn 釬料對(duì) Ti-Ni 形狀記憶合金及不銹鋼潤(rùn)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(zhì)接頭的連接。 激光輸出功率和釬焊 保溫時(shí)間對(duì) TI-Ni 形狀記憶合金熱影響區(qū)的超彈性和形狀記憶效應(yīng)有明顯的影響, 激光輸出 功率和釬焊時(shí)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(yīng)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(yīng)的惡化歸因于熱影響區(qū)的粗 晶結(jié)構(gòu)。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(qiáng)度可達(dá) 320360Mpa。關(guān)于粉末冶金合金的釬焊粉末冶金是當(dāng)前發(fā)展的一種新工藝, 其定義概括地說(shuō)來(lái), 就是制取金屬或合金粉末 (有 時(shí)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(jié)固化,即燒結(jié)成金屬制品或金屬坯的制造工藝。有時(shí) 加壓和加熱同時(shí)進(jìn)行, 稱為熱壓。 這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是能制造熔煉法所得不到或難以得到且具 有獨(dú)特性能優(yōu)點(diǎn)的制品。 如合金成分組織均勻,無(wú)宏觀偏析, 性能穩(wěn)定,可進(jìn)

12、一步提高合金 化程度,合金晶粒細(xì)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(jié)構(gòu)件的制造。特別是由于航空工業(yè)的要求,粉末及機(jī)械合 金化高溫合金獲得迅速發(fā)展, 其質(zhì)量已能滿足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的要求, 并用于制造壓氣 機(jī)盤、 渦輪機(jī)盤和渦輪軸套、葉片等部件。與此相對(duì)應(yīng), 粉末冶金合金連接工藝的研究也越 來(lái)越受到人們的重視,方法有膠接、熔化極氣體保護(hù)焊、摩擦焊、電子束焊、激光焊等,其 中釬焊應(yīng)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(hào)鑄造或變形合金的成分, 如 Rene95、 IN100,只不過(guò)是適當(dāng)降低碳含量以適應(yīng)粉末冶金工藝的要求

13、,因此對(duì)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(hào)高溫合金, 但畢竟其組織、 個(gè)別元素含量有 所區(qū)別, 因此釬焊時(shí), 有兩點(diǎn)應(yīng)引起人們注意:一是高的釬焊溫度會(huì)使細(xì)晶粒的粉末冶金合 金母材在釬焊過(guò)程中發(fā)生晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大, 導(dǎo)致中溫強(qiáng)度的大幅度下降; 另一個(gè)問題是粉末冶 金合金的超細(xì)晶粒, 可能會(huì)造成在釬焊是硼和硅的反?？焖贁U(kuò)散, 從而在接頭中產(chǎn)生過(guò)量的 孔洞。 當(dāng)然, 快速擴(kuò)散也有其有利的一面, 即可縮短為改善性能而進(jìn)行的焊后擴(kuò)散處理時(shí)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(yīng)的場(chǎng)合。但金 基釬料的高成本使其大量應(yīng)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(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)牌號(hào)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(guó)底特律