CN105216394B - 一种基于高温应用的钨/钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于高温应用的钨/钢复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高温应用的钨/钢复合材料及其制备方法；属于复合材料制备技术领域。本发明是要解决现有钨/钢连接件存在接头残余应力大，强度低，耐热性差和连接温度高的问题。所述钨/钢复合材料由钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层依次排列并通过焊接方法制备而成。本发明按钨基层/钛层/铌层/镍层/钢基层的叠加方式，将钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层依次叠加后，进行真空扩散连接，得到钨/钢复合材料。本发明所得钨/钢复合材料室温拉伸强度大于等于352MPa，在650℃的拉伸强度大于等于338MPa。本发明结构设计合理，工艺简单、便于规模化应用。同时本发明可广泛应用于难熔金属与其它金属异种材料的扩散连接。

Description

一种基于高温应用的钨/钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于高温应用的钨/钢复合材料及其制备方法；属于复合材料制备技术领域。
背景技术
钨具有高密度、高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等优异特性，被广泛应用于航空航天、武器装备、能源和电子等领域。由于钨的本征脆性和制备方法的限制，难以获得大尺寸以及形状复杂的纯钨构件，发展钨/钢复合结构来替代全钨结构不但能增加部件的使用便利性，还能综合发挥各连接材料的性能优势。但是，钨与钢的热物理性能和力学性能差异较大，导致钨与钢的焊接性差，连接质量不高，比如钨的熔点比钢高近2000℃，采用传统熔化焊技术无法实现钨与钢的可靠连接，此外，钨与钢的热膨胀系数相差3倍，弹性模量相差2倍，在高温连接后产生很大的残余应力，导致接头性能下降，连接接头的拉伸(或剪切)强度一般为120～270MPa。
目前，钨与钢的连接技术发展起来的主要有钎焊和真空扩散焊。钎焊由于使用温度较低，不能满足钨/钢连接件在高温下的使用要求。此外，钎焊由于连接温度(1150℃)太高，会造成钢中晶粒粗化和相变，导致材料性能降低。真空扩散连接技术由于具有低温连接、高温使用等优良的连接实用性，成为连接异种材料最有效的方法之一。钨与钢扩散连接时，由于钨与钢之间大的热物理性能差异，常通过添加中间层来改善连接接头界面组织结构和应力状态，以提高连接接头质量。
文献“Effect of joining temperature on the microstructure and strengthof tungsten/ferritic steel joints diffusion bonded with a nickel interlayer,Zhong ZH,Jung H,Hinoki T,Kohyama A.:Journal of Materials ProcessingTechnology 2010；210:p. 1805-1810.”和“Effect of holding time on themicrostructure and strength of tungsten/ferritic steel joints diffusionbonded with a nickel interlayer,Zhong ZH, Hinoki T,Kohyama A.:MaterialsScience and Engineering A 2009；518:p.167-173.”通过添加Ni来阻止钨与钢直接扩散连接生成脆性金属间化合物和缓解接头残余应力，但所制得的钨/Ni/钢连接接头界面易生成Ni4W脆性相，此外接头内存在较大的残余应力，导致连接接头性能不高，接头最高拉伸强度仅为215MPa。
文献“Diffusion bonding between W and EUROFER97using V interlayer,Basuki WW,Aktaa J.:Journal of Nuclear Materials 2012；429:p.335-340.”和“Investigation of tungsten/EUROFER97diffusion bonding using Nb interlayer,Basuki WW,Aktaa J.:Fusion Engineering and Design 2011；86:p.2585-2588.”分别采用V和Nb作中间层来改善钨与钢的扩散连接质量，接头室温拉伸强度分别最高可达207MPa和272MPa，但连接接头界面生成了大量金属碳化物(Nb2C、Nb6C5或V2C)限制了接头性能的进一步提高。
杨宗辉等在稀有金属材料与工程(2015,44(3):708-702)和机械工程学报 (2013,49(4):58-63)上报道：采用钨基高密度合金中间层，实现了钨与钢的高质量结合，接头最大剪切强度可达286MPa，但连接界面组成复杂，接头性能有待进一步提高。
综上所述，钨/钢扩散连接由于钨与钢之间大的热物理性能差异，导致连接后接头残余应力大，连接界面易生成高硬脆性金属间化合物等有害相，造成接头性能下降。目前，还没有比较成熟的工艺能实现钨与钢的高性能连接。此外，超高温钨材料应用环境温度的提高对连接接头的耐热性能提出了更高要求，提高钨 /钢连接件的耐热性能对于其长期可靠应用至关重要，因此，本领域迫切需要设计一种可在高温环境下应用的具有高强度的钨/钢复合材料以及与其相配套的制备方法。
发明内容
发明人首先基于必须阻止连接接头内有害脆性相产生的思想，建立从材料扩散连接性出发的晶体结构、原子半径和电负性的中间层选择原则。然后，通过考虑中间层材料的应力缓和效果，采用有限元方法和纳米压痕法分析与表征钨/钢扩散连接接头残余应力分布规律及中间层对接头残余应力分布的影响，探讨中间层的残余应力缓和机制，建立钨/钢扩散连接用中间层的材质、厚度等的选择依据。但仅仅按照现有单层过渡层的设计理念，还是没有得到理想的产品。于是发明人转变思路首创了“活性中间层+应力缓和层+软质阻隔层”组合过渡层。
本发明的目的是要解决现有钨/钢扩散连接过程中残余应力大、界面反应产物无法控制、接头强度低、耐热性不足和连接温度高的问题，而提供一种基于高温应用的高性能钨/钢复合材料及其制备方法。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料；所述钨/钢复合材料由钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层依次排列并通过焊接方法制备而成。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料；钨基层选自纯钨、W-La2O3合金、W-Y2O3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合金中的一种。所述纯钨中钨元素的质量百分数大于等于99％。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料；钢基层选自结构钢、工具钢、不锈钢或专业用钢中的一种。所述专业用钢为如模具钢、气轮机叶片用钢、聚变堆低活性钢中的一种。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料；通过真空焊接所得钨/钢复合材料室温拉伸强度大于等于352MPa，优选大于等于415MPa，其室温拉伸强度在现有钨/钢复合材料的基础上至少提升50％；其650℃的抗拉强度大于等于 338MPa，优选大于等于403MPa，与现有钨/钢复合材料相比较，在现有钨/钢复合材料的基础上至少提升30％、与蔡青山在Int.Journal of Refractory Metals and Hard Materials刊物第48期上发表的文章中所记载钨/V/Cu/钢复合材料相比较，提高了钨/钢连接件的室温拉伸性能，特别是大大改善了其高温力学性能，在650 ℃的拉伸强度提升幅度至少为150％(在650℃，钨/V/Cu/钢复合材料中由于存在低熔点中间层材料Cu，其抗拉强度约为160MPa)。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料；通过真空焊接所得钨/钢复合材料中不存在高硬脆性相。该脆性相为焊接过程中于焊接界面生成的反应产物，具有强度低、硬度高、脆性大的特点，其硬度大于钨基层的硬度(～7.0GPa)，为FeW、Ni4W和FeTi等金属间化合物，或WC、W2C、Nb2C、Nb6C5、V2C等金属碳化物中的一种或多种。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料的制备方法；包括以下步骤：
按钨基层/钛层/铌层/镍层/钢基层的叠加方式，将钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层依次叠加后，进行真空扩散连接，得到高性能钨/钢复合材料；所述真空扩散连接为：首先采用10～30℃/min的升温速率升温至850～1050℃，保温 30～120min，并在保温过程中加载5～20MPa的连接压力，随后以5～10℃/min的冷却速率将温度降低到600～900℃，并保温60～180min，最后随炉冷至室温，在整个连接过程中，保持炉内真空度为1～5×10-3Pa。
本发明一种基于高温应用的钨/钢复合材料的制备方法；所述钨基层与钛层、钛层与铌层、铌层与镍层、镍层与钢基层的接触面的表面光洁度均为0.1～5μm，优选后，钨基层与钛层的接触面的表面光洁度为0.1～0.3μm，钛层与铌层、铌层与镍层的接触面的表面光洁度为0.1～0.5μm、镍层与钢基层的接触面的表面光洁度为0.1～1μm。
本发明一种钨/钢复合材料的制备方法；所述钛层的厚度为0.01～5mm、优选为0.01～2mm、进一步优选为0.1～1mm；所述铌层的厚度为0.01～5mm、优选为 0.1～2mm、进一步优选为0.1～1mm；所述Ni层的厚度为0.01～5mm、优选为 0.01～2mm、进一步优选为0.1～2mm。
本发明所设计的结构可广泛应用于难熔金属与其它金属异种材料的扩散连接。也可广泛应用于难熔金属或陶瓷与其它金属异种材料之间的扩散连接。
原理和优势
本发明设计了“活性中间层+应力缓和层+软质阻隔层”组合过渡层，并将该过渡层巧妙的应用于钨/钢复合材料之中，取得了意想不到的效果。通过本发明所设计的结构以及与其相匹配的工艺可大幅度提升钨/钢复合材料的室温及高温抗拉伸性能(通过真空焊接所得高性能钨/钢复合材料室温拉伸强度大于等于 352MPa，优选大于等于415MPa，其室温拉伸强度在现有钨/钢复合材料的基础上至少提升50％；其650℃的抗拉强度大于等于338MPa，优选大于等于403MPa，与现有钨/钢复合材料相比较，在现有钨/钢复合材料的基础上至少提升30％。)；其可能原因在于：活性中间层为钛层，可大大增加界面扩散反应能力，提高钨基层的扩散连接性；应力缓和层为铌层，其热膨胀系数与钨基层和钢层匹配，使钨 /钢连接件内热膨胀系数呈梯度变化，达到缓解接头热应力的作用；软质阻隔层为具有良好延性的镍层，其阻止了钢基层中的合金元素(Fe、Cr、C等)向过渡层及钨基层中扩散，形成有害钨/钢连接件性能的化合物相，此外，镍的屈服强度低，其可通过蠕变和屈服来释放残余应力；此外，过渡层之间，即钛层与铌层、铌层与镍层之间具有优异的扩散连接性，能形成良好的冶金结合，三者在成分、厚度等方面与待焊材料匹配形成复合结构焊接体系，在焊接工艺条件的协同作用下，得到了高性能钨/钢连接件。
本发明提出的采用复合结构中间层扩散连接钨与钢的方法，在各参数的协同作用下，其室温拉伸强度可达415MPa，比现有水平提高50％以上，其在650℃的拉伸强度大于等于403MPa，比现有水平提升了30％以上；此外，本发明工艺操作简便，接头处金属无明显形变。
附图说明
附图1为钨/钢扩散连接前，钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层的排列方式示意图。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
本实施方式的基于高温应用的钨/钢异质材料的扩散连接方法是按如下步骤进行的：
一、表面清理：首先采用150#、400#、800#、1200#和1500#的金相砂纸对待焊材料钨与钢的连接表面进行逐级打磨并抛光至表面光洁度为0.5μm，然后，采用超声波清洗器(设置清洗温度为35℃)将待焊材料依次在无水乙醇、丙酮、无水乙醇内清洗各15min，以去除待焊试样表面的油污和杂质。为避免待焊材料被氧化或再次受到污染，将其置于无水乙醇内封存备用。
二、预置复合结构中间层：首先将优化设计Ti层、Nb层、Ni层均加工成厚度为0.1mm的薄片，然后将其组合成复合结构中间层置于待焊母材钨与钢之间，并按钨/Ti/Nb/Ni/钢的“三明治”结构进行装配；
三、真空扩散连接：将装配好的焊接材料置于真空热压炉炉中，首先采用 10℃/min的升温速率将连接温度从室温升高到900℃，保温60min，并在保温过程中加载15MPa的连接压力，随后以10℃/min的冷却速率将温度降低到600℃，并保温60min，最后随炉冷至室温，在整个连接过程中，保持真空度＜5×10-3Pa，即完成钨与钢的扩散连接。
本实施方式所得钨/Ti/Nb/Ni/钢连接件的室温拉伸强度可达352MPa(即扩散连接接头的室温抗拉强度)，比采用Ti作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大剪切强度为113MPa)高210％，比采用Nb作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大拉伸强度为272MPa)高近30％，比采用Ni作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大拉伸强度为215MPa)高60％。
本实施方式所得钨/Ti/Nb/Ni/钢连接件在650℃的拉伸强度可达338MPa(即扩散连接接头在650℃时的抗拉强度)，比单独采用Nb作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(在550℃的拉伸强度为299MPa)高。
实施例2
本实施方式的基于高温应用的钨/钢异质材料的扩散连接方法是按如下步骤进行的：
一、表面清理：首先采用150#、400#、800#、1200#和1500#的金相砂纸对待焊材料钨与钢的连接表面进行逐级打磨并抛光至表面光洁度为1μm，然后，采用超声波清洗器(设置清洗温度为35℃)将待焊材料依次在无水乙醇、丙酮、无水乙醇内清洗各10min，以去除待焊试样表面的油污和杂质。为避免待焊材料被氧化或再次受到污染，将其置于无水乙醇内封存备用。
二、预置复合结构中间层：首先将优化设计Ti层、Nb层、Ni层分别加工成厚度为0.1、0.2、0.5mm的薄片，然后将其组合成复合结构中间层置于待焊母材钨与钢之间，并按钨/Ti/Nb/Ni/钢的“三明治”结构进行装配；
三、真空扩散连接：将装配好的焊接材料置于真空热压炉炉中，首先采用 10℃/min的升温速率将连接温度从室温升高到950℃，保温60min，并在保温过程中加载10MPa的连接压力，随后以5℃/min的冷却速率将温度降低到600℃，并保温120min，最后随炉冷至室温，在整个连接过程中，保持真空度为 1～5×10-3Pa，即完成钨与钢的扩散连接。
本实施方式所得钨/Ti/Nb/Ni/钢连接件的室温拉伸强度可达415MPa(即扩散连接接头的室温抗拉强度)，远远高于采用Ti作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大剪切强度为113MPa)，比采用Nb作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大拉伸强度为272MPa)高50％，比采用Ni作中间层的钨/钢扩散连接接头强度 (最大拉伸强度为215MPa)高90％。
本实施方式所得钨/Ti/Nb/Ni/钢连接件在650℃的拉伸强度可达403MPa(即扩散连接接头在650℃时的抗拉强度)，远高于单独采用Nb作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(在550℃的拉伸强度为299MPa)。
实施例3
本实施方式的基于高温应用的钨/钢异质材料的扩散连接方法是按如下步骤进行的：
一、表面清理：首先采用150#、400#、800#、1200#和1500#的金相砂纸对待焊材料钨与钢的连接表面进行逐级打磨并抛光至表面光洁度为3μm，然后，采用超声波清洗器(设置清洗温度为35℃)将待焊材料依次在无水乙醇、丙酮、无水乙醇内清洗各10min，以去除待焊试样表面的油污和杂质。为避免待焊材料被氧化或再次受到污染，将其置于无水乙醇内封存备用。
二、预置复合结构中间层：首先将优化设计Ti层、Nb层、Ni层分别加工成厚度为0.05、0.3、0.1mm的薄片，然后将其组合成复合结构中间层置于待焊母材钨与钢之间，并按钨/Ti/Nb/Ni/钢的“三明治”结构进行装配；
三、真空扩散连接：将装配好的焊接材料置于真空热压炉炉中，首先采用 20℃/min的升温速率将连接温度从室温升高到1050℃，保温30min，并在保温过程中加载10MPa的连接压力，随后以5℃/min的冷却速率将温度降低到600℃，并保温180min，最后随炉冷至室温，在整个连接过程中，保持真空度为 1～5×10-3Pa，即完成钨与钢的扩散连接。
本实施方式所得钨/Ti/Nb/Ni/钢连接件的室温拉伸强度可达386MPa(即扩散连接接头的室温抗拉强度)，远远高于采用Ti作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大剪切强度为113MPa)，比采用Nb作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(最大拉伸强度为272MPa)高40％，比采用Ni作中间层的钨/钢扩散连接接头强度 (最大拉伸强度为215MPa)高75％。
本实施方式所得钨/Ti/Nb/Ni/钢连接件在650℃的拉伸强度可达372MPa(即扩散连接接头在650℃时的抗拉强度)，远高于单独采用Nb作中间层的钨/钢扩散连接接头强度(在550℃的拉伸强度为299MPa)。

Claims (8)

1.一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：所述钨/钢复合材料由钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层依次排列并通过焊接方法制备而成；
所述钨/钢复合材料的制备方法包括以下步骤：
按钨基层/钛层/铌层/镍层/钢基层的叠加方式，将钨基层、钛层、铌层、镍层、钢基层依次叠加后，进行真空扩散连接，得到钨/钢复合材料；所述真空扩散连接为：首先采用10~30℃/min的升温速率升温至850~1050℃，保温30~120min，并在保温过程中加载5~20MPa的连接压力，随后以5~10℃/min的冷却速率将温度降低到600~900℃，并保温60~180min，最后随炉冷至室温，在整个连接过程中，保持炉内真空度为1~5×10-3Pa；
所述钛层、铌层、Ni层的厚度均为0.01~5mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：钨基层选自纯钨、W-La2O3合金、W-Y2O3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合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：钢基层选自结构钢、工具钢、不锈钢中的一种。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：
通过真空焊接所得钨/钢复合材料室温拉伸强度大于等于352MPa，在650℃的拉伸强度大于等于338MPa。
5.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：钨基层与钛层、钛层与铌层、铌层与镍层、镍层与钢基层的接触面的表面光洁度均为0.1~5μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：
钨基层与钛层的接触面的表面光洁度为0.1~0.3μm，钛层与铌层、铌层与镍层的接触面的表面光洁度为0.1~0.5μm、镍层与钢基层的接触面的表面光洁度为0.1~1μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：所述钛层的厚度为0.01~2mm；所述铌层的厚度为0.1~2mm；所述Ni层的厚度为0.01~2mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于高温应用的钨/钢复合材料；其特征在于：所述钛层的厚度为0.1~1mm；所述铌层的厚度为0.1~1mm；所述Ni层的厚度为0.1~2mm。
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