一種疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，主要是在疊層復合材料與低合金鋼的接觸界面之間添加鈮箔中間合金，將其進行真空擴散連接，工藝參數為：采用逐級升溫方式，在550℃、750℃和950℃各設置一個平臺，擴散連接溫度1020℃～1180℃、保溫時間30min～80min、連接壓力5MPa～15MPa、真空度為1.33×10?5～1.33×10?4Pa，待真空室溫度緩慢冷卻至100℃以下，可打開爐門取出被連接件。該發明可以促進疊層復合材料與低合金鋼的界面擴散結合，連接接頭的強度和力學性能穩定可靠，能夠滿足對疊層復合材料與低合金鋼擴散接頭的使用要求。
【專利說明】一種疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接工藝
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及一種疊層復合材料的焊接工藝，特別是針對疊層復合材料與鋼異種材料之間的擴散連接工藝，屬于焊接技術領域。
[0003]
【背景技術】
[0004]由鎳基覆層和N1-Cr基層通過真空等靜壓乳制方法制成的疊層復合材料，具有良好的高溫性能以及抗氧化、耐腐蝕性，可應用于航空航天、核工程、能源、石化等領域。將這種疊層復合材料與結構鋼連接形成復合結構能發揮各自的性能，用于特定零部件制造有獨特的優勢。
[0005]但是實現疊層復合材料的焊接難度很大，使其應用受到限制。中國發明專利ZL200810016502.8實現了疊層復合材料與不銹鋼的鎢極氬弧焊，中國發明專利ZL201010518517.UZL 201010518/04.4和ZL 201110438670.8實現了疊層復合材料與不銹鋼的真空釬焊，擴大了疊層復合材料的應用領域。但是，本質上屬熔焊方法的鎢極氬弧焊(ZL200810016502.8)難以適應一些精密和形狀復雜的連接件，釬焊方法(201010518517.1、ZL201010518/04.4和ZL 201110438670.8)用于疊層復合材料的接頭強度性能也受到一些結構件的使用要求限制。
[0006]因此本發明針對熔焊方法和釬焊方法用于疊層復合材料的不足，提出一種疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法。采用這種方法用于疊層復合材料與低合金鋼的連接，可實現連接界面的冶金結合，連接接頭的應力比恪焊時小的多，連接接頭的強度性能優于釬焊接頭的接頭強度，適合連接界面接觸面積大、要求結合強度高的零部件制造。目前，國內外文獻中尚未見有關疊層復合材料與鋼異種材料之間擴散連接的報道。
[0007]
【發明內容】
[0008]本發明針對現有疊層復合材料焊接技術的不足，提供了一種焊接效率高和適應性強的用于疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接工藝。采用本發明的方法可獲得界面結合良好的擴散連接接頭。這種方法適用于疊層復合材料與低合金鋼等異種材料的連接，連接接頭具有良好的強度性能和力學穩定性。
[0009]這種疊層復合材料利用超級鎳作韌化復層，具有很好抗疲勞性能。超級鎳復層的厚度僅0.2mm?0.3mm，Ni含量質量分數大于99.5%，超出純鎳的國家一級標準，因此稱為超級鎳。基層為N1-Cr合金，厚度為2mm?3mm。
[0010]本發明的工藝步驟如下:
為了實現疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接，本發明采用的技術方案是:在疊層復合材料與低合金鋼的待連接面之間添加鈮箔合金層，在真空條件下通過控制溫度、壓力和擴散時間等實現疊層復合材料與鋼的可靠連接。所采用的工藝步驟如下:
(I)擴散連接前對疊層復合材料與低合金鋼件連接處進行預處理:將疊層復合材料的超級鎳復層待連接表面經過機械加工方法去除，露出N1-Cr基層，再經打磨或化學處理;對低合金鋼連接表面進行打磨或化學處理。
[0011](2)在疊層復合材料N1-Cr基層與低合金鋼待連接處放置鈮箔中間合金層，并將添加中間層的待連接工件疊放裝配好，厚度大的鋼件在下，厚度小的疊層復合材料在上。
[0012](3)將裝配好的疊層復合材料與低合金鋼待連接件放置于擴散連接設備的真空室中，用上、下壓頭壓緊待擴散連接的工件，要求整個組合連接件與壓頭的接觸表面平行。
[0013](4)擴散連接工藝參數為:采用逐級升溫方式，在550°C、750°C和950°C各設置一個平臺，平臺保溫時間1min?15min。擴散連接溫度1020 °C?1180 °C、保溫時間30min?80min、連接壓力5MPa?15MPa、真空度為1.33 X 10—5?I.33 X 1-4Pa0
[0014](5)緩慢降溫，從連接溫度至800 V降溫速率5 °C?10 °C/min; 800 °C以下降溫速率10°C?15°C/min;待真空室溫度緩慢冷卻至100°C以下，可打開爐門取出被連接件。
[0015]本發明采用的鈮箔中間層為純度大于99.95%的純鈮箔，厚度為ΙΟμπι?40μπι。鈮箔的化學成分以質量百分比計為:Nb彡99.95%，其余< 0.05%。添加鈮箔中間合金有利于促進疊層復合材料與低合金鋼界面的擴散結合。
[0016]本發明的有益效果是:添加鈮箔中間合金的疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，界面處發生鈮箔中Nb與低合金鋼中的C擴散反應，生成NbC等新的物相并促進N1-Cr基層與低合金鋼界面的擴散結合。
[0017]本發明具有工藝簡單、界面冶金結合、接頭強度穩定、便于推廣應用等特點，尤其適用于要求界面接觸面積大的疊層復合材料與低合金鋼結構件的連接。連接接頭的強度和力學性能穩定可靠，能夠滿足對疊層復合材料與低合金鋼擴散接頭的使用要求。
【附圖說明】
[0018]圖1，疊層復合材料與低合金鋼搭接的擴散連接示意。
[0019]圖2，疊層復合材料與低合金鋼雙面搭接的擴散連接示意。
[0020]圖中I是疊層復合材料，2是低合金鋼。
【具體實施方式】
[0021]實施例1
針對長度為90mm、寬度為45mm、厚度為3mm的疊層復合材料與長度為90mm、寬度為90mm、厚度為16mm的Q345低合金鋼搭接進行的擴散連接，搭接連接面為90mm X 45mm接觸面。工藝步驟如下:
(I)機械加工去除疊層復合材料待連接面的超級鎳覆層，露出待連接面N1-Cr基層(90mmX45mm接觸面)，待連接表面處用金相砂紙打磨后用無水乙醇擦拭，以去除連接表面的油污和雜物。
[0022](2)用純度大于99.95%的鈮箔作為中間層，鈮箔厚度30μπι，鈮箔的化學成分以質量百分比計為:Nb彡99.95%，其余彡0.05%。
[0023](3)將鈮箔中間合金放置于矩形狀疊層復合材料和Q345低合金鋼搭接待連接面之間，將待連接件疊放裝配好，低合金鋼件在下，疊層復合材料在上。疊層復合材料與低合金鋼搭接的擴散連接如圖1所示。
[0024](4)將裝配好的待連接工件放置于擴散連接設備的真空室中，并用上、下壓頭壓緊;要求連接界面與壓頭的接觸表面平行。
[0025](5)加熱過程設置3個保溫平臺，550°C前升溫速率8°C/min，550°C?950°C升溫速率6 °C/min，950 °C至連接溫度升溫速率4°C/min，平臺保溫時間1min。
[0026](6)擴散連接工藝參數為:連接溫度1060°C、保溫時間55min、連接壓力6MPa、真空度為 1.33X10—5Pa。
[0027](7)緩慢降溫，從連接溫度至800 0C降溫速率6 °C/min; 800 °C以下降溫速率8 V/min。
[0028](8)待真空室溫度緩慢冷卻至100 °C以下，可打開爐門取出工件。
[0029]經檢測，矩形狀疊層復合材料與低合金鋼搭接的擴散連接界面結合良好，擴散連接接頭剪切強度達340MPa。能夠滿足疊層復合材料與低合金鋼搭接擴散連接接頭的使用要求。
[0030]實施例2
針對兩塊長度為60mm、寬度為60mm、厚度為3mm的疊層復合材料與長度為60mm、寬度為60mm、厚度為25mm的Q345低合金鋼雙面搭接進行的擴散連接，搭接連接面為60mm X 30mm雙面接觸面。工藝步驟如下:
(I)機械加工去除疊層復合材料待連接正反兩面的超級鎳覆層，露出正反兩側待連接面N1-Cr基層60mmX 30mm接觸面，兩面待連接表面處用金相砂紙打磨后用無水乙醇擦拭，以去除連接表面的油污和雜物。
[0031](2)用純度大于99.95%的鈮箔作為中間層，鈮箔厚度30μπι，鈮箔的化學成分以質量百分比計為:Nb彡99.95%，其余彡0.05%。
[0032](3)將鈮箔中間合金放置于矩形狀疊層復合材料和Q345低合金鋼正反兩側的搭接待連接面之間，將待連接件疊放裝配好，低合金鋼件在中間，疊層復合材料上、下放置。疊層復合材料與低合金鋼雙面搭接的擴散連接如圖2所示。
[0033](4)將裝配好的待連接工件放置于擴散連接設備的真空室中，并用上、下壓頭壓緊;要求組合連接界面與壓頭的接觸表面平行。
[0034](5)加熱過程設置3個保溫平臺，550°C前升溫速率8°C/min，550°C?950°C升溫速率6 °C /min，950 V至連接溫度升溫速率4 °C /min，平臺保溫時間12min。
[0035](6)擴散連接工藝參數為:連接溫度1120 °C、保溫時間65min、連接壓力8MPa、真空度為 1.33X10—5Pa。
[0036](7)緩慢降溫，從連接溫度至800 V降溫速率6 °C/min; 800 °C以下降溫速率8 V /
mino
[0037](8)待真空室溫度緩慢冷卻至100 °C以下，可打開爐門取出工件。
[0038]經檢測，雙面搭接的矩形狀疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接界面結合良好，擴散連接接頭剪切強度達350MPa。能夠滿足疊層復合材料與低合金鋼雙面搭接擴散連接接頭的使用要求。
【主權項】
1.一種疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)連接前將疊層復合材料與低合金鋼待連接處進行機械加工方法去除，并對待連接處進行預處理； (2)在疊層復合材料與低合金鋼待連接處添加鈮箔中間合金以促進其界面擴散結合； (3)將待連接工件疊放裝配好，置于擴散連接設備的真空室中，用上、下壓頭加緊，擴散連接界面與壓頭的接觸表面平行； (4)擴散連接工藝參數為:采用逐級升溫方式，在550°C、750°C和950°C各設置一個平臺，平臺保溫時間1min?15min，擴散連接溫度1020°C?1180°C、保溫時間30min?80min、連接壓力5MPa?15MPa、真空度為1.33X 10—5?1.33X 10—4Pa，緩慢降溫，從連接溫度至8000C降溫速率5 °C?1 °C /min; 800 °C以下降溫速率1 °C?15 °C /min; (5)待真空室溫度緩慢冷卻至100°C以下，可打開爐門取出被連接件。2.根據權利要求1所述的疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，其特征在于:所述步驟(I)中的機械加工為銑床或磨床加工，預處理為用金相砂紙打磨、無水乙醇擦拭和或用濃度10%的鹽酸溶液將待連接面的氧化膜去除。3.根據權利要求1所述的疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，其特征在于:所述步驟(2)中的鈮箔中間合金為純度大于99.95%的鈮箔，鈮箔的化學成分以質量百分比計為:Nb 彡 99.95%，其余彡 0.05%。4.根據權利要求1所述的疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，其特征在于，所述步驟(3)中，具體處理方法為:用耐高溫的上、下壓頭壓緊待擴散連接的工件，要求擴散連接界面件與上、下壓頭的接觸表面平行。5.根據權利要求1所述的疊層復合材料與低合金鋼的擴散連接方法，其特征在于:所述步驟(2)中，銀箔中間合金的厚度為IΟμπι?40μηι。
【文檔編號】B23K20/02GK106041289SQ201610517811
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月5日
【發明人】李嘉寧, 張元彬, 霍玉雙, 劉鵬, 石磊
【申請人】山東建筑大學