一種鎢/過渡層/鋼復合材料及其低溫低壓活性擴散連接的制備方法
【專利說明】一種鎢/過渡層/鋼復合材料及其低溫低壓活性擴散連接的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種鎢/過渡層/鋼復合材料及其低溫低壓活性擴散連接的制備方法；屬于復合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鎢具有高密度、高硬度、高強度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、能源和電子等領(lǐng)域。由于鎢的本征脆性和制備方法的限制，難以獲得大尺寸以及形狀復雜的純鎢構(gòu)件，發(fā)展鎢/鋼復合結(jié)構(gòu)來替代全鎢結(jié)構(gòu)不但能增加部件的使用便利性，還能綜合發(fā)揮各連接材料的性能優(yōu)勢。
[0003]目前，鎢與鋼的連接技術(shù)發(fā)展起來的主要有釬焊和真空擴散焊，其中釬焊常采用多組元釬料，接頭焊縫發(fā)生復雜的化學冶金反應(yīng)，易生成脆性化合物等有害相，導致接頭性能不高。擴散焊技術(shù)具有低溫連接、高溫使用的優(yōu)點，但其常需要較大的加載壓力以實現(xiàn)接觸材料表面原子間的相互擴散，同時對待焊材料表面光潔度要求較高，導致接頭尺寸適應(yīng)性差，不利于生產(chǎn)應(yīng)用。
[0004]文南犬“Development of brazing foils to join monocrystalline tungstenalloys with 0DS - EUR0FER steel, Kalin B A, Fedotov V T, Sevrjukov 0 N, KalashnikovAN, Suchkov AN,Moeslang A,Rohde M:Journal of Nuclear Materials 2007 ；367 -370:p.1218 - 1222.，， 和“Mechanical characterizat1n and modeling of brazedEUR0FER - tungsten - joints,Chehtov T，Aktaa J，Kraft 0.: Journal of NuclearMaterials 2007 ；367 - 370:p.1228 - 1232.”等分別采用Ni基、Ti基和Fe基非晶態(tài)高溫釬料焊接鎢與鋼，實現(xiàn)了鎢與鋼的良好連接，但釬焊溫度(1150°C)過高，造成鋼中晶粒粗化或相變，導致材料性能下降。
[0005]文南犬 “Effect of joining temperature on the microstructure andstrength of tungsten/ferritic steel joints diffus1n bonded with a nickelinterlayer, Zhong ZH, Jung H，Hinoki T, Kohyama A.: Journal of Materials ProcessingTechnology 2010 ;210:p.1805-1810.” 和“Diffus1n bonding between ff andEUR0FER97using V interlayer, Basuki ffff, Aktaa J.: Journal of Nuclear Materials2012 ；429:p.335-340.”等采用擴散焊技術(shù)連接鎢與鋼，制得的鎢/鋼接頭具有低溫連接、高溫使用的特點，但這種固態(tài)擴散連接工藝需要較大的加載壓力(?lOMPa)，導致接頭尺寸適應(yīng)性差，大大限制了其生產(chǎn)應(yīng)用。
[0006]此外，現(xiàn)有鎢/鋼連接技術(shù)所制備的鎢/鋼連接件在機械負荷或熱負荷等作用下，均易在靠近接頭焊縫的鎢側(cè)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂失效，這與鎢/鋼連接件接頭處存在較大的殘余應(yīng)力有關(guān)。因此，本領(lǐng)域迫切需要設(shè)計一種具有高強度的鎢/鋼復合材料以及與其相配套的高效制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明基于鎢與鋼熱物理性能差異大，特別是鎢與鋼熔點相差2000°C，熱膨脹系數(shù)相差3倍，彈性模量相差2倍，導致鎢與鋼焊接性差，連接質(zhì)量不高，發(fā)明人通過設(shè)計中間過渡層來緩解鎢/鋼結(jié)構(gòu)件接頭處的熱物理性能差異，以改善鎢與鋼的連接質(zhì)量，但僅僅依據(jù)鎢/過渡層/鋼復合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并采用現(xiàn)有單一焊接方法來制備鎢/鋼復合結(jié)構(gòu)件，仍然無法得到理想的產(chǎn)品，現(xiàn)有鎢/鋼復合材料及其制備技術(shù)仍存在殘余應(yīng)力大、強度低、焊接條件要求高(高溫、高壓、長的連接時間)等問題，于是發(fā)明人轉(zhuǎn)變思路，通過對鎢/過渡層/鋼復合材料及其制備技術(shù)進行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，首創(chuàng)了“鎢/活性金屬層/軟質(zhì)中間層/鋼”的復合材料結(jié)構(gòu)及與之配套的兩步焊接制備技術(shù)。
[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，一種鎢/過渡層/鋼復合材料及其低溫低壓活性擴散連接制備方法。通過結(jié)構(gòu)和工藝的搭配解決了現(xiàn)有鎢/鋼連接件接頭殘余應(yīng)力大、強度低、焊接條件要求高(高溫、高壓、長的連接時間)等問題。
[0009]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料；所述鎢/過渡層/鋼復合材料的原料包括媽基層、活性金屬Ti層、軟質(zhì)中間層、鋼基層；所述軟質(zhì)中間層由N1、Cu、N1-Cu合金中的一種組成。
[0010]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料；鎢基層選自純鎢、W_La203合金、W_Y 203合金、、W-TiC合金、W-ZrC合金、W-Y合金、W-Mo合金、W_Re合金、W_K合金、W-CNT合金中的一種。所述純鎢中鎢元素的質(zhì)按量百分數(shù)大于等于99%。
[0011]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料；鋼基層為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼或?qū)I(yè)用鋼中的一種。所述專業(yè)用鋼為如模具鋼、氣輪機葉片用鋼、聚變堆低活性鋼中的一種。
[0012]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料的低溫低壓活性擴散連接的制備方法；包括以下步驟:
[0013]首先將軟質(zhì)中間層與鋼基層焊接到一起，得到帶有軟質(zhì)中間層的鋼基層，然后將帶有軟質(zhì)中間層的鋼基層與活性金屬Ti層、鎢基層按鋼基層/軟質(zhì)中間層/活性金屬Ti層/鎢基層依次疊加，進行真空活性擴散連接，制備鎢基層/鈦層/軟質(zhì)中間層/鋼基層的連接件，即得到高性能鎢/鋼復合材料；所述真空活性擴散連接方法為:首先采用10?30°C /min的升溫速率升溫至900?1050°C，保溫5?300min，在保溫過程中加載0.1?5MPa的連接壓力，隨后以5?10°C /min的冷卻速率將溫度降低到650°C，并保溫30?120min，最后隨爐冷至室溫，在整個連接過程中，保持爐內(nèi)真空度為1?5X10 3Pa。
[0014]將軟質(zhì)中間層與鋼基層焊接到一起時，可用的技術(shù)為傳統(tǒng)焊接技術(shù)，如釬焊或真空固態(tài)擴散焊技術(shù)。
[0015]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料的低溫低壓活性擴散連接的制備方法；鎢基層與活性金屬Ti層的接觸面的表面光潔度為0.1?1 μπι、優(yōu)選為0.1-0.5 μ m、進一步優(yōu)選為0.1-0.3 μπι，活性金屬Ti層與軟質(zhì)中間層的接觸面的表面光潔度為0.1?3 μπι、優(yōu)選為0.1-1 μπι、進一步優(yōu)選為0.1?0.5 μm、軟質(zhì)中間層與鋼基層的接觸面的表面光潔度為0.1?1.5 μπι、優(yōu)選為0.1?1 μπι、進一步優(yōu)選為0.5?1 μπι。
[0016]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料的低溫低壓活性擴散連接的制備方法；所述鈦層的厚度為0.005?0.05mm、優(yōu)選為0.005?0.02mm、進一步優(yōu)選為0.008?0.015mm ；所述軟質(zhì)中間層的厚度為0.01?5mm、優(yōu)選為0.01?2mm、進一步優(yōu)選為0.1?lmrn。
[0017]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料的低溫低壓活性擴散連接的制備方法；通過兩步焊接所得鎢/過渡層/鋼復合材料中不存在脆性相。該脆性相為所有金屬間化合物或金屬碳化物中的一種或多種。
[0018]本發(fā)明一種鎢/過渡層/鋼復合材料的低溫低壓活性擴散連接的制備方法；通過兩步焊接所得鎢/過渡層/鋼復合材料拉伸強度大于等于386MPa，優(yōu)選大于等于412MPa，進一步優(yōu)選大于等于430MPa，與現(xiàn)有鎢/鋼復合材料相比較，在現(xiàn)有鎢/鋼復合材料的基礎(chǔ)上至少提升 50%、與蔡青山在 Int.Journal of Refractory Metals and Hard Materials刊物第48期上發(fā)表的文章中所記載鎢/V/Cu/鋼復合材料相比較，提高了鎢/鋼連接件拉伸性能，特別是所設(shè)計的一種鎢/過渡層/鋼復合材料結(jié)合與之配套的兩步焊接方法，實現(xiàn)了實現(xiàn)鎢與鋼的低溫、低壓、低殘余應(yīng)力、高可靠的高效連接。
[0019]本發(fā)明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)以及分布焊接方式可廣泛應(yīng)用于難熔金屬與其它金屬異種材料的擴散連接。也可廣泛應(yīng)用于難熔金屬或陶瓷與其它金屬異種材料之間的擴散連接。
[0020]原理和優(yōu)勢
[0021]原理
[0022]鎢與鋼的焊接難點在于其熱物理性能差異大，很難找到一種過渡層材料和一種焊接方法能實現(xiàn)鎢與鋼的高強度及高效連接。本發(fā)明提出了一種鎢/過渡層/鋼復合材料及低溫低壓活性擴散連接的制備方法。由于對于單一材料鋼，其焊接性好，能與多種金屬材料實現(xiàn)良好連接，而對于單一材料鎢，其熔點高，脆性大，導致其焊接性差，因此，發(fā)明人首先將優(yōu)化設(shè)計的過渡層與鋼基層進行連接，這采用傳統(tǒng)釬焊或真空固態(tài)擴散焊即可實現(xiàn)，然后再采用一種新型的低溫低壓活性擴散連接方法將過渡層/鋼的結(jié)構(gòu)件與鎢進行高效連接，從而得到高強度的鎢/鋼復合材料。
[0023]本發(fā)明中，過渡層中引入過渡族活性金屬Ti與鎢基層反應(yīng)，大大增加了界面擴散反應(yīng)能力，可大幅降低連接溫度。同時，引入軟質(zhì)中間層(N1、Cu或N1-Cu合金)以緩解由于鎢與鋼熱膨脹系數(shù)不匹配在連接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。特別的是，活性金屬Ti與軟質(zhì)中間層元素Ni和Cu為共晶形成元素，在擴散連接過程中，Ti與軟質(zhì)中間層可在低于各元素熔點溫度下相互擴散發(fā)生共晶反應(yīng)而形成液相，當連接接頭內(nèi)Ti層的厚度遠小于軟質(zhì)中間層時，隨著連接過程的進行，Ti層將逐漸被消耗，當Ti層被完全消耗后，液相將填充連接接頭界面，最后，所產(chǎn)生的液相由于等溫