[發明專利]一種用于核用SiC陶瓷連接的Zr基釬料及釬焊工藝

在審

• 申請號: 201810011105.5
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108213763A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 馮可芹;周博芳;翟大軍
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: B23K35/24
• 分類號: B23K35/24;B23K35/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明是以核用SiC陶瓷連接的Zr基釬料及釬焊工藝。將一定含量的ZrH₂粉、Nb粉、Cu粉、Sn粉、Al粉和Si粉在剛玉器皿中球磨混勻，將混勻后的粉末壓實在真空感應爐中加熱熔煉等制備Zr基釬料合金。在釬焊真空爐中，將SiC陶瓷/Zr基釬料箔片/SiC陶瓷形成三明治結構，以一定的升溫速率（1~8℃/min）升溫到1100~1350℃，保溫5~60min，然后以同樣的速率（1~8℃/min）冷卻至室溫。Zr基釬料釬焊SiC陶瓷的接頭組織如圖2。由于本發明是針對SiC陶瓷作為核燃料包殼材料，對SiC陶瓷釬焊的釬料元素及成分有著嚴格的要求，同時SiC陶瓷連接存在釬料合金與母材的物理化學性能有較大差異造成焊接殘余應力較大，導致接頭強度較低等問題，提供了一種用于SiC核燃料包殼材料釬焊的Zr基釬料及釬焊工藝。

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，具體涉及一種用于核用SiC陶瓷連接的Zr基釬料及釬焊工藝。

背景技術

SiC陶瓷及其復合材料(C_f/SiC, SiC_f/SiC)具有優異的力學性能，熱膨脹系數小，耐腐蝕、耐磨及高溫抗氧化性能優良，其已被應用于高性能航空發動機和火箭發動機等領域。在核反應堆中，美國麻省理工學院采用三層SiC陶瓷及其復合材料的包殼設計。碳化硅陶瓷基體燃料包殼材料能把產生氫氣的風險降低幾千倍，并為核燃料提供與鋯合金類似的保護。SiC陶瓷包殼材料不但能降低事故中的風險，而且由于與水反應緩慢，在正常條件下也具有老化慢、壽期長的特點，從而有助于提升核燃料燃耗。然而由于SiC陶瓷是以強共價鍵結合導致其本征脆性，制造大而復雜的零部件是非常困難的，為此需要研究SiC陶瓷的焊接技術擴大其使用。

目前SiC陶瓷的焊接技術研究主要集中在擴散連接和活性金屬釬焊。擴散連接過程需要施加壓力，從而對材料的形狀有一定的要求，同時由于SiC陶瓷的化學穩定性較高，需要較高的連接溫度和較長的保溫時間實現原子擴散從而達到有效的連接。活性金屬釬焊的釬料主要有Ag基釬料、Cu基釬料、Pd基釬料、Ti基釬料、Ni基釬料和Co基釬料等。其中Ag基釬料、Cu基釬料、Pd基釬料具有良好的塑性，通過塑性變形可以緩解和釋放陶瓷連接接頭的殘余應力，同時這些釬料不與碳化硅陶瓷發生反應，但是Ag基釬料、Cu基釬料焊接的接頭的使用溫度較低，通常在500℃以下；Pd基釬料雖然有較高的熔點其焊接的接頭能夠在高溫下使用，但是釬料的成本太高，不適用大量的焊接。為了獲得較理想的焊接接頭，Ti基釬料、Ni基釬料和Co基釬料得到了進一步的研究，它們具有較高的熔點同時能夠與碳化硅界面發生界面反應生成化合物，適量控制化合物的厚度可以提高接頭的強度，但釬料中含有的元素會對核燃料產生一定的影響。考慮到SiC陶瓷及其復合材料作為核燃料棒的包殼材料，需要接頭具有核用的高溫性能，有較低的熱中子吸收截面等特殊要求，為此需要開發一種新型的釬料適用于核用SiC陶瓷的連接。本發明結合鋯合金的優良性能以及Zr作為活性元素與SiC界面發生反應，創新地提出開發一種Zr基釬料，用于核用SiC陶瓷的釬焊。

發明內容

本發明的目的是針對核用SiC陶瓷的連接接頭不僅具有核用高溫性能，而且需要滿足降低燃料熱中子吸收截面等特殊要求，提供一種用于核用SiC陶瓷釬焊的Zr基釬料及釬焊工藝。該釬料的合金元素的添加基于釬料具有耐蝕性好和合金元素不應形成強的放射性核素等性能，釬料的制備工藝以及釬焊工藝簡單、且易于實施。與現有的SiC陶瓷及其復合材料的活性釬焊相比，Zr基釬料釬焊的焊接接頭具有優良的高溫力學性能，作為核燃料包殼材料能夠滿足其在特殊條件下的使用，節約核燃料，提高核電站的安全性能。

本發明提供的一種用于核用SiC陶瓷的Zr基釬料及釬焊工藝的方法，該方法的具體工藝步驟和條件如下：