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
技術領域
[0001]本發明涉及一種鎢/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領域。
【背景技術】
[0002]鎢具有高密度、高硬度、高強度、耐高溫和耐腐蝕等優異特性，被廣泛應用于航空航天、武器裝備、能源和電子等領域。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件，發展鎢/鋼復合結構來替代全鎢結構不但能增加部件的使用便利性，還能綜合發揮各連接材料的性能優勢。
[0003]目前，鎢與鋼的連接技術發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，接頭焊縫發生復雜的化學冶金反應，易生成脆性化合物等有害相，導致接頭性能不高。擴散焊技術具有低溫連接、高溫使用的優點，但其常需要較大的加載壓力以實現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，導致接頭尺寸適應性差，不利于生產應用。
[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基非晶態高溫釬料焊接鎢與鋼，實現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，但這種固態擴散連接工藝需要較大的加載壓力(?lOMPa)，導致接頭尺寸適應性差，大大限制了其生產應用。
[0006]此外，現有鎢/鋼連接技術所制備的鎢/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產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力有關。因此，本領域迫切需要設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。
【發明內容】
[0007]本發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，熱膨脹系數相差3倍，彈性模量相差2倍，導致鎢與鋼焊接性差，連接質量不高，發明人通過設計中間過渡層來緩解鎢/鋼結構件接頭處的熱物理性能差異，以改善鎢與鋼的連接質量，但僅僅依據鎢/過渡層/鋼復合材料結構的優化設計，并采用現有單一焊接方法來制備鎢/鋼復合結構件，仍然無法得到理想的產品，現有鎢/鋼復合材料及其制備技術仍存在殘余應力大、強度低、焊接條件要求高(高溫、高壓、長的連接時間)等問題，于是發明人轉變思路，通過對鎢/過渡層/鋼復合材料及其制備技術進行協同優化設計，首創了“鎢/活性金屬層/軟質中間層/鋼”的復合材料結構及與之配套的兩步焊接制備技術。
[0008]本發明針對現有技術的不足，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。通過結構和工藝的搭配解決了現有鎢/鋼連接件接頭殘余應力大、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、軟質中間層、鋼基層；所述軟質中間層由N1、Cu、N1-Cu合金中的一種組成。
[0010]本發明一種鎢/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按量百分數大于等于99%。
[0011]本發明一種鎢/過渡層/鋼復合材料；鋼基層為結構鋼、工具鋼、不銹鋼或專業用鋼中的一種。所述專業用鋼為如模具鋼、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]首先將軟質中間層與鋼基層焊接到一起，得到帶有軟質中間層的鋼基層，然后將帶有軟質中間層的鋼基層與活性金屬Ti層、鎢基層按鋼基層/軟質中間層/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，保持爐內真空度為1?5X10 3Pa。
[0014]將軟質中間層與鋼基層焊接到一起時，可用的技術為傳統焊接技術，如釬焊或真空固態擴散焊技術。
[0015]本發明一種鎢/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、優選為0.1-0.5 μ m、進一步優選為0.1-0.3 μπι，活性金屬Ti層與軟質中間層的接觸面的表面光潔度為0.1?3 μπι、優選為0.1-1 μπι、進一步優選為0.1?0.5 μm、軟質中間層與鋼基層的接觸面的表面光潔度為0.1?1.5 μπι、優選為0.1?1 μπι、進一步優選為0.5?1 μπι。
[0016]本發明一種鎢/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、優選為0.005?0.02mm、進一步優選為0.008?0.015mm ；所述軟質中間層的厚度為0.01?5mm、優選為0.01?2mm、進一步優選為0.1?lmrn。
[0017]本發明一種鎢/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，優選大于等于412MPa，進一步優選大于等于430MPa，與現有鎢/鋼復合材料相比較，在現有鎢/鋼復合材料的基礎上至少提升 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，特別是所設計的一種鎢/過渡層/鋼復合材料結合與之配套的兩步焊接方法，實現了實現鎢與鋼的低溫、低壓、低殘余應力、高可靠的高效連接。
[0019]本發明所設計的結構以及分布焊接方式可廣泛應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鎢與鋼的高強度及高效連接。本發明提出了一種鎢/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，發明人首先將優化設計的過渡層與鋼基層進行連接，這采用傳統釬焊或真空固態擴散焊即可實現，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/鋼的結構件與鎢進行高效連接，從而得到高強度的鎢/鋼復合材料。
[0023]本發明中，過渡層中引入過渡族活性金屬Ti與鎢基層反應，大大增加了界面擴散反應能力，可大幅降低連接溫度。同時，引入軟質中間層(N1、Cu或N1-Cu合金)以緩解由于鎢與鋼熱膨脹系數不匹配在連接過程中產生的殘余應力。特別的是，活性金屬Ti與軟質中間層元素Ni和Cu為共晶形成元素，在擴散連接過程中，Ti與軟質中間層可在低于各元素熔點溫度下相互擴散發生共晶反應而形成液相，當連接接頭內Ti層的厚度遠小于軟質中間層時，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，所產生的液相由于等溫