鈦—銅—鎳釺焊填充金屬的製作方法

2023-05-08 19:11:51 2

專利名稱:鈦—銅—鎳釺焊填充金屬的製作方法
本發明涉及釺焊填充金屬，特別是涉及含有鈦、銅和鎳的釺焊填充金屬。這類填充金屬可用來釺焊鈦基製品。
除了純粹的機械方法外，現有技術還提供了三種連接鈦基製品的方法，即焊接、釺焊和擴散接合。第四種方法，即液相界面擴散接合法，可被認為是釺焊和擴散接合方法的綜合。焊接、釺焊和液相界面擴散接合方法，都是採用填充金屬來連接製品的接頭。
美國專利第3，652，237號介紹了一種用來釺焊鈦基製品的釺焊填充金屬成分。將填充物製成一種具有(按重量百分數計)含Ti-15Ni-15Cu為主要成分的箔片。該填充物具有一種複合結構，其特徵在於由一層或多層每層由銅和鎳及外國包有一層鈦的薄片所組成。該箔片存在兩個嚴重的問題第一，當填充金屬熔化時，該液體必然會滲入箔片表面上和每一製品接合表面上的氧化鈦層。這種氧化物的障礙物是形成較佳接頭的障礙。第二，人們發現接合面間的間隙必須較窄，以避免釺焊縫中產生空隙和裂縫。這種空隙和裂縫顯然是由於液態填充金屬未能充分地進入被連接的製品間的間隙而引起的。
美國專利第4，026，677號、4，034，454號和4，034，906號介紹了其他銅釺焊箔片。一般，這些箔片為Ti-50Zr箔片，具有一層Cu，或具有Cu和Be層。由於Be的毒性，其應用受到了限制。Ti-Zr-Cu箔片的低熔點則影響了其若干應用。
美國專利第3，683，488號個紹了用於將蜂窩結構連接到一面板的各類釺焊合金。將諸如Au、Ni、Ag和Cu的金屬層電鍍於蜂窩室壁上。儘管，在蜂窩結構上電鍍是很困難，但是工程師們已找到了更為有效的釺焊方法。
用於鈦的液相界面擴散接合的填充金屬一直是很多專利的主題，例如見美國專利3，768，985號和3，769，101號、3，854，194號、3，981，429號、4，029，479號和4，318，965號。這些專利都介紹了一種Ni-Ag-Cu填充金屬系統，其中銅和鎳以相等的數量存在。將這三種元素的金屬層鍍在所要連接的其中一個部件的接合面上，或鍍在一種很薄的鈦箔片上，然後將該鈦箔片置於部件之間。電鍍的箔片總厚度為15微米。這種薄型填充物僅僅能向接頭提供一小部分液體，並且由於在接合過程中產生的快速擴散，該填充物只能在很短的一段時間呈液態(見美國專利3，854，194號第5段37行)。這種快速擴散可能會妨礙接頭的充分形成。此外，用於這些填充金屬系統的較佳液相界面擴散接合的溫度約為970℃(見美國專利3，98，429號第3段7行)，而這一溫度可能會阻礙填充金屬與某些鈦合金的連接。另外，已觀察到，用含銀的填充金屬連接的鈦基製品在使用過程中過早地斷裂，這些斷裂現象似乎開始於連合過程中所形成的Ti-Ag金屬互化物。
按美國專利3，957，194號，將銅層、鎳層及銅層依次鍍在鈦金屬蜂窩室壁上，以進行液相界面的擴散接合。如上所述，在蜂窩結構上鍍敷是不理想的。
儘管採用用來連接上述鈦基襯底的填充金屬可有效地進行釺焊和液相界面擴散接合，然而，這類填充金屬都各自有一個或一個以上的缺點，限制了其應用。所以，研究人員一直在努力改善現有的技術。具體地說，他們一直在設法找到一種更佳的填充金屬，用以釺焊鈦基製品。這種填充金屬的熔化和凝固特徵是容許拉麵間存在較寬的間隙，而同時，釺焊接頭的抗拉性能與母材相當。
按本發明，釺焊填充金屬主要由鈦(或其一種合金)、鎳和銅組成，其中鎳與銅的重量百分比約為3∶2，Ni+Cu的組合含量約在39～51(重量百分比)之間。較好的是，填充金屬具有一個中心鈦基部分，緊鄰接於銅層和鎳層。最好是，銅層鄰接於中心的鈦基部分，鎳層鄰接於銅層。最佳的填充金屬成分(按重量百分比計)約為Ni28，Cu17，餘量為Ti。在釺焊鈦或鈦基合金的金屬製品時，這種填充金屬特別有用。這種填充金屬同樣可用於鈦基合隼與以鎳、鐵或鈷為基的合金釺焊。
已發現，本發明鎳和銅數量不等的填充金屬成分較現有技術鎳和銅的量相等的釺焊和液相界面擴散接合填充金屬，具有更好的釺焊性能。具體地說，當本發明的填充金屬熔化時，其流動性要比先有技術的填充物好得多。這就是說，它們能更好地填充接合面之間的間隙，並能保證順利而又牢固地釺焊具有較寬間隙的組件。
通過下面的附圖和最佳實施方案的描述，將更清楚地說明本發明的上述和其他目的特徵以及優點。
圖1a是呈薄片狀的填充金屬的剖面示意圖;
圖1b是呈線材狀和粉末狀的填充金屬剖面圖;
圖2表示在釺焊試驗中所測定得到的填充金屬的各種成分圖。
本發明的填充金屬特別適於釺焊純鈦或鈦基合金。試驗同樣表明，本填充金屬可用於鈦基製品與鎳、鐵或鈷基製品的釺焊。填充金屬的固相線溫度約925℃(1700°F)，液相線溫度約為945℃(1.735°F)。用該填充金屬所產生的釺焊接頭具有與基體金屬不相上下的抗拉性能。可生產各種形狀的填充合金，包括箔片狀、線材狀和粉末狀。可將填充金屬製成單相合金，或者，最好，製成多相複合結構，例如，可製成每一層的成分分別為鈦、鎳和銅的分離層的複合結構。因此，在本說明書和權利要求
書中，「填充金屬」這一術語是用來描述單相及多相材料。鈦或者可以是元素鈦(工業純)，或者可以是諸如Ti-6Al-4V的鈦基合金。
為了製造呈箔片狀的填充金屬，可以採用「航空與航天材料規格」(Aerospace Materaiol Specifications)即(AMS)4900、4901或4902中所述的工業純箔片。為了製造呈線材狀的填充金屬，可以採用AMS4951中所述的工業純線材。為了製造呈粉末狀的填充金屬，可以採用非合金鈦粉末或如Ti-6Al-4V(AMS 4998)的合金鈦粉末。本專業人員認為，選用何種形式的填充金屬，取決於所釺焊的接頭的設計構形。在採用釺焊箔片的應用中，箔片的規定厚度約為0.005～0.010釐米。在採用釺焊線材的應用中，線材的規定厚度約為0.050～0.125釐米。在採用釺焊粉末的應用中，規定的粉末篩號泰勒篩系列(Tyler Sieve Series)(按重量計)80目90%(最小)、200目為5%(最大)。當將粉末製成帶材、軟線材或糊材(如在這裡作為參考的美國專利3，293，072號和4，546，047號中所述)時，載體或膠結劑應不含釺劑，而能揮發，不致會有害地影響接頭(例如，能揮發而不留下任何殘餘物)。同樣可將粉末熱噴塗或粘接到工件上。
當用箔片填充金屬釺焊工件時，將填充金屬置於工件的接合面之間。一般將線材填充金屬鄰置於接合面。可將粉末或者置於接合面之間，或者鄰置於接合面。說明書和權利要求
書中所使用的「…之間」，是指置於接合面之間或鄰置於接合面。
圖1a～1b是表示多相(夾層)填充金屬的剖面示意圖。如圖1中所示，呈箔片狀的填充金屬10包括一個中心鈦基箔片12，一層鄰接於鈦箔片12的銅層，一層鄰接於銅層14的鎳層16。圖1b表示呈線材狀和粉末狀的填充金屬18。填充物18包括一介中心鈦基線材或粉末顆粒20(視情況而定)，圍繞中心20的銅層22，和圍繞銅層22的鎳層24。(為簡化起見，以環狀剖面圖表示線材和粉末顆粒。本發明不限於這一種形狀，還包括其他形狀。)在本發明的最佳實施方案中，最理想的是將鎳作為「外」層，因為它提供了一層易於加工和易於保持清潔的表面，從而延長了填充物的貯藏壽命。
可採用現有技術中已知的電鍍技術或無電沉積技術來鍍鎳層和銅層。無電沉積技術可用來將鎳鍍敷到鍍有銅的鈦基粉末顆粒上。在這種無電沉積技術中，鎳層成分多半含有若干磷，一般存在於無電鎳鍍槽中。然而，這類磷似乎不大會影響粉末的釺焊性能。亦可採用如噴鍍或化學氣相沉積的物理或化學沉積法鍍上鎳和銅層。
在本發明的另外一個實施方案中，有數量不一定相等的的多層銅和鎳圍繞著中心鈦部分。
不一定要按分離層的形式來鍍敷鎳層和銅層，而可按一種合金來進行沉積。然而，為便於應用，最好是採用分離層。
當然，應該理解到，儘管按上述方式製造的夾層結構是較為理想的，但還可用其他方法來製造本發明的填充金屬。例如，可將填充金屬製造成單相合金。這類合金多半最易於製成粉末。例如，可以採用用諸如快速凝固(RSR)處理的方法以及現有技術中的其他方法，製造合金粉末。儘管不是實施本發明的最佳方法，但可將鈦、鎳和銅的粉末顆粒置於所連接的製品的接合面或鄰置於所連接的製品的接合面，鈦、鎳和銅的各自的量必須能達到下面將要詳述的本發明成分的要求。或者，可以使用鍍鎳的鈦粉和銅粉。另一可採用的方法是用鍍鎳的鈦粉末和鍍銅的鈦粉末。其他可採用的方法將是顯而易見的。正如上面第一個例子的情況一樣，每一種組元的量必須保證達到本發明成分的要求。
本發明的釺焊填充金屬的最佳夾層結構與背景技術中所介紹的Ti-Cu-Ag-Ni液相界面擴散接合界層(美國專利3，981，429號)和Ti-Cu-Ni釺焊界層(美國專利3，652，237號)不同。Ti-Cu-Ag-Ni界層極薄(約15微米)，一旦熔化，僅能向被連接的部件間的間隙提供一小部分液體。結果這種間隙必須極小，這樣，一般就會阻礙在連接的部件中用這類填充物，因為連接的部件不易達到緊密的裝配。此外，本專利以及有關Ti-Cu-Ni界層的專利都僅僅介紹了在界層中使用相等數量的鎳和銅的情況。然而，如下所述，當鎳的量超過銅的量時，釺焊接頭的質量就會有顯著的提高。
圖2表示用來釺焊AMS 4911T型接頭試樣的各種填充金屬的成分。除了「現有技術」材料(具有Ti-Cu-Ti夾層次序的Ti-15Cu-15Ni組成，美國專利第3，652，237號)外，所有的填充金屬都是箔材，其特點都具有一個鈦心部分以及相鄰的銅層和鎳層，即為Ni-Cu-Ti-Cu-Ni的夾層結構。現有技術中的材料厚約為0.005釐米，而其他材料厚約為0.009釐米。在這些其他材料中，中心鈦部分厚約為0.005釐米，每一面的單個銅層和鎳層的厚度約為0.001釐米。經過1小時的955℃的真空釺焊以後，冷卻至925℃並保溫1小時。表觀檢驗和金相檢驗表明，僅僅在圖2標有「發明成分」的陰影區域內的成分才能保證得到無孔隙或裂縫的釺焊接頭。同樣，也僅僅是這些填充金屬成分才在零部件間的不連續點中流動，並且充分地填充不連續點。此外，在這些接頭中，沒有觀察到有殘餘物(即非合金的)銅存在。相比之下，陰影區域之外的成分產生了不完全的接頭，即存在著裂縫和孔隙。在這些成分中，觀察到有會降低性能的殘餘銅存在。一旦熔化，圖中左下部分(以及「發明成分」外)的成分便迅速擴散入被連接的部件內，因此，接合面間幾乎沒有液態金屬在流動，以形成一種連續的接頭。所以，這類成分不大可能有效地用來釺焊部件，因為這種釺焊部件不易達到緊密的結合。圖中左上部分和右下部分的成分(與左下部分的成分相比)在接合面間提供了較多的液體，但仍不足以形成一種連續的接頭。圖中右上部分的成分則產生了過量的液體，如T型接頭的部件中過量的熔化所顯示的那樣。這還表明，液態釺焊金屬向部件擴散太慢。所以，這類成分不適於用來釺焊諸如蜂窩結構類的薄型零部件。
從圖中可以看到，本發明填充金屬的成分範圍(按重量百分比計)約為Cu15～21，Ni24～30，餘量為鈦或鈦基合金。Ni∶Cu的重量百分比之比應在約1.2∶1至1.85∶1之間。換言之，鎳的含量(重量百分比)應約為1.2～1.85×銅含量(重量百分比)。最佳的成分為Cu18，Ni27，餘量為鈦或鈦基合金;在這一成分中，Ni∶Cu之比為3∶2。採用這種成分釺焊鈦基合金(例如Ti-6Al-4V)的最佳釺焊周期是在955℃左右保溫1小時，接著在925℃左右保溫4小時。然而，在釺焊這類合金以及其他合金時，還可採用其他的釺焊周期。
作為例子，具有最佳成分的Ti-18Cu-27Ni箔片的厚度為0.0075釐米，其中心鈦基部分部分厚約為0.0050釐米，每一面銅層和鎳層的厚度各自約為0.0006釐米。對於0.100釐米厚的環狀剖面線材來說，中心鈦基部分的直徑約為0.080釐米，而銅層和鎳層的組合厚度約為0.020釐米。對於-80篩號的泰勒篩系列的電鍍粉末來說，原始的(未經電鍍的)鈦基粉末的標稱直徑約為0.015釐米，而銅層和鎳層的組合厚度約為0.002釐米。
當然，應該認識到，可以允許銅層和鎳層的厚度有一定的變化。然而，這些變化必須與中心鈦基部分的尺寸相適，以得到本發明的成分。
本發明的最佳夾層結構，即在鈦基襯底上的鎳層和銅層，進一步區別於美國專利3，652，237號中所述的Ti-Cu-Ni界層。該專利介紹了一種釺焊箔片，其中鈦層圍繞並緊密地封接著銅層和鎳層的襯底。如背景技術部分所述，一種堅韌耐熔的氧化物薄膜形成於鈦的外層表面，從而阻止了最佳釺焊接頭的形成。本發明的填充金屬的特徵在於在中心鈦基部分上鍍有銅層和鎳層，或銅-鎳合金。由於(如果不是全部的話)大部分鈦基部分將與空氣隔離，因此，就阻礙了這種耐熔氧化物的形成。
圖2中的數據是釺焊「AMS」4911的試樣而得到的。然而，補充試驗已表明，本發明的釺焊成分不僅能有效地將鈦基組件相互釺焊在一起，而且還可有效地將鈦基合金與非鈦基合金(例如鎳、鈷或鐵基合金)進行釺焊。例如，已發現本發明的最佳成分可有效地將「AMS」4975(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)合金同
合金718(Ni-19Cr-0.10C-18Fe-0.9Ti-0.6Al-3Mo-5.2(b+Ta)釺焊。對試驗所產生的釺焊接頭所作的金相檢驗表明，填充金屬在基質材料上充分擴散，在釺焊接頭中不存在裂縫或孔隙。
儘管不受任何理論的限制，但一般認為本發明的填充金屬能產生優良效果的原因在於當釺焊組件置於的溫度可使液體在工件間的間隙內橫向流動時，幾乎不產生熔融填充金屬的等溫凝固。直至溫度下降時，熔化金屬才凝固。
自然，限制所要連接的接合面之間的間隙，一般總是有益的。一般來說，增加要連接部件的機械加工允許的偏差，在經濟上是有利的，然而這卻導致了接合面間隙的擴大。試驗已表明，用最佳的成分可成功地填充達0.38釐米的間隙。另外，與先有技術的填充金屬相比，流動能力愈強，本發明的成分就轉愈加有效地填充深度達0.050釐米的局部不連續點(例如，粗機械加工的痕跡、加工缺陷)。
在對用本發明的填充金屬釺焊的「AMS」4911的樣品所作的拉伸試驗中，可以發現，斷裂現象發生在母材處，而不是發生在釺焊接頭處，這就說明，接頭的抗拉強度高於母材的抗拉強度。
儘管以最佳的實施方案說明了本發明，但本專業人員仍可理解到，可以對其作各種形式上和細節上的改變，而不脫離本發明權利要求
的精神和範圍。
權利要求
1.一種釺焊填充金屬主要由鎳、銅和鈦或鈦基合金組成，其中鎳和銅的組合含量約在39～51的重量百分比之間，並且鎳的重量百分比大於銅的重量百分比。
2.權利要求
1的填充金屬，其中鎳的重量百分比約等於1.2～1.85×銅的重量百分比。
3.一種主要由一個中心鈦基部分和鄰接的不同金屬組成的釺焊填充物，其中第一層金屬鄰接於中心部分，第二層金屬鄰接於第一層金屬，其中所述的金屬系選自於由鎳和銅所組成的系列，鎳的重量百分比大於銅的重量百分比。
4.權利要求
3的填充金屬主要由Ni24～30、Cu15～21及餘量為鈦或鈦基合金組成。
5.權利要求
4的填充金屬僅有第一層和第二層，其中第一層為銅，第二層為鎳。
6.一種主要由鎳、銅和鈦或鈦基合金組成的釺焊填充金屬，其中鎳和銅的組合含量約在39～51的重量百分比之間，鎳的重量百分比大於銅的重量百分比，其中填充金屬主要由一個中心鈦基部分和鄰接的銅層和鎳層或一種鄰接的銅-鎳合金層所組成。
7.一種至少釺焊兩件製品的方法包括下列步驟將真充金屬置於要釺焊的製品之間，或者鄰置於要釺焊的製品，以形成釺焊組件;在一定的溫度下加熱組件，使填充金屬熔化;冷卻組件，其中的改進之處包括一種主要由鎳、銅和鈦或鈦基合金組成的填充金屬，其中鎳和銅的組合含量約為39～51(重量百分比)，鎳的重量百分比大於銅的重量百分比。
8.一種至少釺焊兩件製品的方法包括下列步驟將一種主要由(按重量計)鈦或鈦基合金、鎳24～30、銅15～21組成的填充金屬置於要釺焊的製品之間，或鄰接置於要釺焊的製品，以形成釺焊組件;在一定的溫度下加熱組件，使填充金屬熔化;冷卻組件，其中填充金屬主要由一個中心鈦基部分和鄰接的不同金屬層組成，其中第一層金屬鄰接於中心部分，第二層金屬鄰接於第一層金屬，其中的金屬系選自由鎳和銅組成的系列，鎳的重量百分比大於銅的重量百分比。
9.權利要求
8的方法，其中第一層金屬為銅，第二層金屬為鎳。
10.權利要求
9的方法所形成的釺焊製品。
11.權利要求
9的方法，其中所述的兩件製品均為鈦基製品。
12.權利要求
9的方法，其中所述的製品系選自由鈦、鎳、鈷和鐵基合金所組成的系列。
專利摘要
本文介紹了一種特別適於釺焊鈦基製品的填充金屬材料。在最佳的實施方案中，這種材料的特點在於它具有一個鈦中心部分以及鄰接的銅層和鎳層。填充金屬的固相線及液相線溫度分別約為925℃和945℃。
文檔編號C22C14/00GK87100797SQ87100797
公開日1987年9月23日 申請日期1987年2月18日
發明者愛德華·約瑟夫·瑞安 申請人:聯合工藝公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan