[發明專利]一種TZM與WRe異種難熔合金的SPS擴散焊接方法

在審

• 申請號: 201710765714.5
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107486619A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 張久興;楊芝;韓翠柳;胡可;楊新宇;李志
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B23K20/02
• 分類號: B23K20/02;B23K20/22;B23K20/24
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 盧敏

技術領域

本發明涉及一種異種難熔合金的焊接方法，尤其涉及一種TZM與WRe異種難熔合金的焊接方法。

背景技術

TZM合金是以鉬為基體添加合金元素(如Ti、Zr)而形成的難熔合金，具有高的再結晶溫度、優異的高溫力學性能和良好的抗腐蝕性能，在航空、航天、核能等領域得到了廣泛應用，如：利用其優良的高溫力學性能，可用于航天器的散熱面板、火箭發動機的噴嘴、魚雷發動機中承受高溫的配氣閥體等；利用其較高的熔點，可用于無縫不銹鋼的穿孔頂頭，高溫爐的爐壁和熱等靜壓機的隔熱屏等高溫結構材料；TZM合金在電子電氣工業上應用也較多，如電子管陰極、柵極、高壓整流原件半導體薄膜集成電路等；此外，在核能源設備上TZM合金也應用廣泛，如輻射罩、支撐架、熱交換器、軌條等。

WRe合金，是以鎢為基體，錸在鎢中溶解形成具有體心立方的固溶強化型鎢錸合金，具有一系列優異的性能如：高熔點、高密度、高硬度、低熱膨脹系數、良好的抗蝕性和抗氧化性能、優異的導電導熱性能和射線吸收能力等優異性能。已成為武器裝備、航空航天、原子能等國防工業領域和微電子信息、電氣工程、機械加工等尖端技術領域的關鍵材料，例如：在兵器領域，可用于超高速動能穿甲彈；在核聚變領域，可用于聚變堆托克馬克裝置中的面向等離子體材料。

將TZM與WRe異種難熔合金有效連接，是拓展難熔合金在航空航天、核能、武器裝備等領域中應用的關鍵。然而，由于這兩種材料的物理、化學性能差異大(如熔點差異大)，使得兩者之間的連接非常困難。目前主要采用熔焊、釬焊、固相擴散連接及瞬間液相連接來實現高溫合金的連接。但這些方法存在許多不足：難于制得高結合強度的接頭；對金屬件表面的清潔度及設備真空度要求很高；固相擴散連接及瞬間液相連接所需溫度高、保溫時間長，導致兩者間的連接耗時、耗能；熔焊容易產生裂紋；釬焊雖然連接溫度較低，但由于釬料的熔點普遍較低，因此釬焊難于制得能在高溫下使用的接頭。

放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，SPS)技術是利用強脈沖直流電流流經粉末或模具產生焦耳熱而對粉末進行快速固結成形的一種新方法。近年來，該方法開始被用于焊接領域，能夠實現同種材料(合金與合金、陶瓷與陶瓷)、異種材料(合金與陶瓷)。與傳統的固相擴散焊接相比，SPS固相擴散焊接的優勢不僅僅是加熱速率快、能耗低，尤為重要的是SPS在傳統固相擴散焊接所需的溫度場和應力場的基礎上引入了電場。在電場的作用下，電遷移效應可加速物質擴散。因此，采用SPS技術有望在較低溫度和較短時間內實現對TZM與WRe異種難熔合金的有效連接。另一方面，TZM合金和WRe合金發生高溫再結晶后力學性能會大幅下降。添加低熔點金屬或合金作為中間過渡層可降低焊接溫度，避免TZM合金和WRe合金焊接過程中發生再結晶。釩，熔點1890℃，和鉬、鎢均屬于難熔金屬體系，且釩與鉬、鎢可形成完全固溶體。因此，采用釩作為TZM合金與WRe合金擴散焊接的中間過渡層，有望降低焊接溫度、避免母材發生再結晶(TZM合金和WRe合金的再結晶溫度分別為1400℃和1750℃)，獲得高質量的焊縫組織，進而提高焊接接頭的力學性能。

發明內容

針對現有難熔合金，尤其是TZM合金與WRe合金連接技術的不足之處，本發明的目的在于將SPS技術應用于難熔合金的固態擴散連接，提供一種TZM與WRe異種難熔合金的快速高效焊接方法，通過加入釩箔作為中間過渡層，以降低焊接溫度、避免母材再結晶，并在焊縫中通過原子互擴散形成完全固溶體，進而提高焊接接頭的力學性能。

本發明解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明TZM與WRe異種難熔合金的SPS擴散焊接方法，是以釩箔作為中間過渡層，通過SPS技術對TZM與WRe異種難熔合金進行固相擴散焊接，從而獲得TZM與WRe異種難熔合金的連接件。具體包括如下步驟：

步驟1、

取待焊接的TZM合金和WRe合金，對TZM合金和WRe合金的待焊接面進行預磨、拋光和超聲清洗并真空干燥；

步驟2、

選用厚度在100～300μm、純度不低于99％的釩箔作為中間過渡層，對釩箔進行酸洗、超聲清洗并烘干；

步驟3、

取石墨模具，所述石墨模具包括上壓頭、下壓頭及石墨陰模；

將處理好的TZM合金、釩箔、WRe合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時使釩箔位于石墨陰模高度的正中間位置；

步驟4、

將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統的爐膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脈沖電流，對TZM和WRe異種難熔合金進行擴散焊接，焊接工藝為：