TC4钛合金与无氧铜、可伐合金真空钎焊工艺研究

作者:郝振贻;严彪 刊名:有色金属材料与工程 上传者:王万翔

【摘要】针对红外探测器杜瓦冷指的设计;应选取具有较高屈服强度、较低热导率和较低密度的材料;以提高红外探测器杜瓦的可靠性;考虑到红外探测器封装的其他结构需求;TC4钛合金与无氧铜、可伐等金属之间的焊接一般不太容易实现;试验中采用真空钎焊作为焊接手段;选取Ti-Ni-Zr-Cu钎料;对TC4钛合金与无氧铜、可伐合金的真空钎焊焊接试验结果进行比较分析;得出TC4钛合金与无氧铜、可伐合金钎焊后检漏漏率优于10^−11torr.l/s;焊缝抗拉强度都达到150MPa以上;

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TC4钛合金与无氧铜、可伐合金等金属间的焊接,属于异种金属焊接的范畴[1-3]。异种金属的焊接,是指两种或两种以上的不同金属在一定工艺条件下进行焊接加工的过程。由于异种金属焊接各金属间物理化学性能及化学成分的差异,如在焊接过程中,TC4钛合金中的Ti易和其他金属元素产生脆性相,导致焊缝断裂,给焊接造成较大的困难[4]。虽然异种金属焊接难度较高,但是,异种金属焊接能够最大限度地利用材料各自的优点,做到物尽其用。因此随着未来红外探测器封装要求的不断提高,该焊接技术的应用需求越来越多,比如深空冷背景探测的超低温制冷的探测器封装、超大规模的红外探测器与制冷机集成式冷箱封装和结构复杂的红外探测器封装等。北京航空材料研究院程耀永等用Ti-Zr-Cu-Ni混合粉末钎料钎焊TC4钛合金,焊缝接头抗拉强度达911 MPa,强度与母材相当[4]。通过研究,解决杜瓦封装用TC4钛合金与无氧铜、4J29可伐合金等异种金属间的气密性真空钎焊问题,期望能够实现红外探测器封装组件的TC4钛合金冷指和冷平台真空钎焊,并获得合适的TC4钛合金冷指和冷平台真空钎焊的工艺参数。1钎焊料的调研钛合金真空钎焊用钎料中常用的主要有银基钎料、铝基钎料和钛基钎料。银基钎料和铝基钎料虽有良好的润湿性和一定的力学性能,但焊缝与母材相比,其力学性能和化学性能差距较大[5]。钛基钎料与钛合金的冶金相容性好,可以获得高强度的接头,是钎焊钛合金的优质钎料。Ti-Zr-Cu-Ni系列钎料是钛及钛合金钎焊的重要钎料。其显著优点是接头可以在高温和强腐蚀介质下使用,其力学性能和耐腐蚀性能接近母材水平[6],对国内不同厂家生产的钎料进行调研,TC4钛合金与TU2无氧铜/4J29可伐合金真空钎焊钎料的一些种类和厂商调研见表1。2钎焊料的选择对于钛合金结构,由于存在热导率较小且线膨胀系数较大的特点,因此其内部应力更加复杂,若选择焊接方法及工艺不当时会降低焊缝的性能。钛材与异种金属的连接主要体现在以下几个方面:(1)当钛与其他金属的熔点相差很大时,易形成熔化不良;(2)当钛与其他金属线膨胀系数相差很大时,易导致焊缝区裂纹增多;(3)当钛与其他金属之间形成较多的金属间化合物时,由于金属间化合物具有很大的脆性,容易使焊缝产生裂纹,甚至断裂等。试验所用材料分别为TC4(Ti-6AI-4V)钛合金、4J29可伐合金和TU2无氧铜,各母材的化学成分及热学、力学性能如表2所示。为此选用三种不同钎料进行初步试验:(1)昆山米爱CuNiSn钎料;(2)上海大华厂AgCu合金;(3)Lucas公司Ti-Ni-Zr-Cu钎料。钎料的具体照片见图1,焊接温度分别为560,810和897℃,3个壁厚为2 mm的样品钎焊后检漏漏率均达到要求,但是CuNiSn钎料、AgCu合金焊接后在显微镜下观察发现,钎料与母材的浸润性不好,同时根据文献,CuNiSn钎料、AgCu合金的焊缝与母材相比,其力学性能和化学性能差距较大。因此最终只选用Ti-Ni-Zr-Cu钎料作为进一步试验的钎料。3钎焊试验在试验中考虑到实际红外探测器封装杜瓦的使用情况,TC4钛合金与4J29可伐合金也进行焊接试验,并与TU2无氧铜一起做比较,温度曲线沿用第一次的试验数据,并且TC4钛合金试验冷指采用和工程上杜瓦一样的薄壁件结构(工程上为了降低冷平台对外界的固体传导漏热,薄壁冷指壁厚设计值一般≤0.2 mm来控制截面积)。焊接后的样品照片如图2所示。表1 TC4钛合金与异种金属钎焊的焊料现状Tab.1 Current status of the solder for brazing T

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