CN108724893B - 一种锆钢复合板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锆钢复合板的制备方法，包括如下步骤：1)选择纯铝或铝合金作为锆合金与低碳钢钢的中间层；2)将铝中间层置于锆板与钢板之间，并将其装配到两块耐热不锈钢之间，放置到真空热压烧结炉中，并预施加0.1‑3MPa的压力；3)对热压烧结炉进行抽真空，当真空度大于10^‑3MPa时开始加热，达到450‑650℃时，保持轴向压力在0.5‑6MPa，保温0.5‑10h；卸载轴向压力，随炉冷却低于50℃。该方法可以克服现有焊接技术下在低温下实现锆与钢高质量焊接的问题，其中扩散层界面平整，反应生成物单一，焊后的锆钢复合板具有变形量小、无氧化和残余应力低等优点，可以适用于化工反应容器等领域。

Description

一种锆钢复合板的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种锆钢复合板的制备方法。

背景技术

扩散焊接是一种在固体状态下，通过施加低于母材熔点的温度，保持轴向压力，添加或不添加中间层，使母材产生微量变形而不损害总体性能，最后达到一定结合强度的一种方法。但是，复合材料的力学性能是取决于结合面区域的微观组织。所以，调整实验参数可以精确控制在结合面(扩散层)生成的金属间化合物的厚度和种类，我们可以在此过程中找到影响材料性能的关键性因素。利用扩散焊接方法，可以将同种或异种材料连接到一起，例如金属与金属，金属与陶瓷。

锆是一种稀有金属，具有易加工、耐蚀性好和热中子吸收截面低等优点。近年来，因锆的耐蚀性能优于不锈钢、钛、镍合金，越来越多应用于石油、化工等行业。但是受到锆价格的限制，所以利用锆钢复合板可取代纯锆用于制造压力容器，不仅降低制造成本，而且极大节约了锆资源。

利用扩散焊接将锆与钢焊接到一起，是这一个非常有前景的想法。但是锆合金与钢的连接存在一定困难，这主要存在两个方面原因：一是脆性金属间化合物的形成，使得接头的机械强度和耐腐蚀性降低；二是两种材料的热膨胀系数相差极大，连接后会造成很大的内应力。所以，在国外，许多研究者会采用添加中间层来缓解两种不同材料所带来的内应力以及阻止金属间化合物的形成。

文献“Aboudi D,Lebaili S,Taouinet M,et al.Microstructure evolution ofdiffusion welded 304L/Zircaloy 4,with copper interlayer[J].Materials&Design,2017,116:386–394.”中报道利用纯铜作中间层连接不锈钢与Zr4合金，结果表明在900℃时，铜能够有效阻止Fe与Zr的相互以及扩散层中裂纹的扩展；但是温度在1050℃时，铜与锆反应剧烈形成局部液相，与Fe元素接触之后形成脆硬的C₃₆-Fe₂Zr等拉弗斯相，影响接头性能。

文献“Chen H,Long C,Wei T,et al.Effect of Ni interlayer on partialtransient liquid phase bonding of Zr–Sn–Nb alloy and 304 stainless steel[J].Materials&Design,2014,60(60):358-362.”中提到利用纯镍作为中间层连接304不锈钢与锆合金，结果表明在扩散时间为30min和1000℃没有镍中间层的接头产生的大量的Zr(Cr,Fe)₂等脆性相，反应层较薄并伴有裂纹形成；但是使用镍中间层后的接头，反应层厚度达到135um，没有裂纹出现，结合强度得到明显的改善。

以上文献中提及的中间层均属于纯的贵金属，且扩散温度已超过900℃，已属于中高温扩散焊接。目前所查文献中，均未查询到锆合金与低碳钢在扩散焊接温度低于650℃成功的案例。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中锆钢复合板制备过程中必须使用大量贵金属导致成本高，而且制备过程中需要900℃以上的高温的缺点，提供一种锆钢复合板的制备方法。本发明进一步扩大化锆钢复合板的工业生产，提高经济效益，本发明首次提供一种在扩散温度低于650℃条件下，利用固态扩散焊接原理，成功的利用铝中间层将锆合金与低碳钢焊接到一起。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的的，一种锆钢复合板的制备方法，包括以下步骤：

1)选择纯铝或低熔点铝合金作为制备锆钢复合板的中间层，清除低碳钢板、锆板、铝或低熔点铝合金表面的氧化物以及机械杂物，以备焊接使用；

2)将铝或低熔点铝合金置于锆板与低碳钢板之间得工件，锆板在上层，低碳钢板置于最下层；然后将工件装配到两块耐热不锈钢之间，放置到真空热压烧结炉中，并在真空热压烧结炉的镍基高温合金压头预施加0.5-2MPa的压力使其紧密接触；

3)对真空热压烧结炉进行抽真空，当真空度大于10^-3MPa时开始加热，加热速率为8-12℃/s，达到预设温度450-650℃时，保持真空热压烧结炉的镍基高温合金压头轴向压力在0.5-6MPa，保温时间为0.5-10h不等；保温时间结束后，停止加热，卸载轴向压力但保持热压烧结炉内真空度；热压烧结炉温度低于150℃以下，关闭抽真空，随炉冷却低于50℃。

优选的，所述纯铝或低熔点铝合金的中间层厚度为0.5mm-1mm；

优选的，所述纯铝的纯度大于99.9％，所述低熔点铝合金为铝硅合金。

优选的，所述铝硅合金为Al₁₂Si、Al₈Si或Al₄Si。

优选的，所述锆板为纯锆或锆合金；所述钢板为纯铁、低碳钢或合金钢；

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明创造性的采用的铝或铝硅合金作为中间层扩散层，其目的一是降低选用中间层的成本；二是扩散温度低，降低工业能耗；三铝箔不需要特殊处理，简化生产工艺。结果表明，铝中间层有效阻止Fe与Zr之间的反应，从而避免了ZrFe₂，ZrFe₃和ZrFe₄等脆性金属间化合物的形成；在Fe-Al一侧的界面生成Al₅Fe₂，而在Zr-Al一侧的界面则生成Al₃Zr；整体特征为：其结合面平整光滑，反应生成物单一，硬度适中，复合板剪切强度超过23MPa。

附图说明

图1为实施例1锆钢复合板使用纯铝作为中间层的金相照片；

图2为实施例1锆钢复合板使用纯铝作为中间层的剪切强度曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

实施例1.0.5mm的铝作中间层的纯锆合金与低碳钢的复合板

该案例的发明步骤如下：

1)工件的前处理：选择铝作为连接纯锆合金与低碳钢的中间层，铝箔的纯度为99.9％，厚度为0.5mm，锆合金纯度为99％，厚度为1.5mm，低碳钢牌号为Q345，厚度为6mm，铝箔和锆合金的长宽均为100*50mm。在焊接前1小时，用工业百洁布将铝箔表面氧化物打磨干净。用机械磨床将纯锆合金板与低碳钢板打磨至一定光洁度后，再依次用800#、1000#、1500#、2000#金相砂纸进行打磨抛光，用水清洗干净后并吹干。最后将铝箔、纯锆合金板和低碳钢板一起用无水酒精放入超声波中清洗20min，然后吹干，以待后续使用。

2)装配工件：

首先将铝箔放置于纯锆合金板与低碳钢板之间，将低碳钢板置于最底层，然后放置铝中间层，再将锆合金板置于最上层，调整使三者保持平行。然后将装配好的工件放置到两块耐热不锈钢之间，耐热不锈钢的作用是用来保持上下平行度一致，再将装配好的工件与耐热钢一起放入真空热压烧结炉中。最后，在镍基高温合金压头之间施加1MPa的预压力，使工件紧密接触，并关上炉门。

3)工件的加热、保温以及出炉：

首先对装配好工件的真空热压烧结炉进行抽真空，并编写加热温度，保温时间和压力等参数。当真空度大于10^-3MPa时开始加热，加热速率始终保持在10℃/min，直到温度达到545℃，在镍基高温合金压头施加轴向压力为3MPa，然后保温反应3h。保温反应结束后，停止加热，卸载轴向压力，但继续保持在10^-3MPa的真空度，使其随炉冷却。直到温度低于150℃以下，方可关闭抽真空，最后在不高于50℃下取出试样。

结果表明：图1中由左到右依次是钢，Al₅Fe₂，铝，Al₃Zr和锆。金属之间的扩散属于体扩散，主要是通过空位运动来进行，空位运动需要热激活能，金属熔点越高所需激活能越大，固相扩散所需温度一般为金属的0.5-0.8Tm(Tm为金属熔点)。Al的熔点约660℃，在545℃时，已经满足了Al原子扩散所需激活能，Fe/Al和Zr/Al之间相互扩散反应分别形成了Al₅Fe₂和Al₃Zr。在剪切试验中(见图2)，界面的剪切强度达到了23.1MPa。

实施例2.0.5mmAl₁₂Si作中间层的纯锆合金与低碳钢的复合板

该案例的发明步骤如下：

1)工件的前处理：选择0.5mmAl₁₂Si作为连接纯锆合金与低碳钢的中间层，铝硅中间层成分为Al：88％，Si：12％，厚度为0.5mm，锆合金纯度为99％，厚度为1.5mm，低碳钢牌号为Q345，厚度为6mm，它们的长宽均为100*50mm。在焊接前1小时，用工业百洁布将铝箔表面氧化物打磨干净。用机械磨床将纯锆合金板与低碳钢板打磨至一定光洁度后，再依次用800#、1000#、1500#、2000#金相砂纸进行打磨抛光，用水清洗干净后并吹干。最后将铝箔、纯锆合金板和低碳钢板一起用无水酒精放入超声波中清洗20min，然后吹干，以待后续使用。

2)装配工件：

首先将铝箔放置于纯锆合金板与低碳钢板之间，将低碳钢板置于最底层，然后放置铝中间层，再将锆合金板置于最上层，调整使三者保持平行。然后将装配好的工件放置到两块耐热不锈钢之间，耐热不锈钢的作用是用来保持上下平行度一致，再小心将装配好的工件与耐热钢一起放入真空热压烧结炉中。最后，在镍基高温合金压头之间施加0.5MPa的预压力，使工件紧密接触，并关上炉门。

3)工件的加热、保温以及出炉：

首先对装配好工件的真空热压烧结炉进行抽真空，并编写加热温度，保温时间和压力等参数。当真空度大于10^-3MPa时开始加热，加热速率始终保持在10℃/min，直到温度达到600℃，施加轴向压力为3MPa，然后保温反应40min。保温反应结束后，停止加热，卸载轴向压力，但继续保持在10^-3MPa的真空度，使其随炉冷却。直到温度低于150℃以下，方可关闭抽真空，最后在不高于50℃下取出试样。

实施例3.0.5mmAl₁₂Si作中间层的纯锆合金与低碳钢的复合板

该案例的发明步骤如下：

1)工件的前处理：选择0.5mmAl₁₂Si作为连接纯锆合金与低碳钢的中间层，铝硅中间层成分为Al：88％，Si：12％，厚度为0.5mm，锆合金纯度为99％，厚度为1.5mm，低碳钢牌号为Q345，厚度为6mm，它们的长宽均为100*50mm。在焊接前1小时，用工业百洁布将铝箔表面氧化物打磨干净。用机械磨床将纯锆合金板与低碳钢板打磨至一定光洁度后，再依次用800#、1000#、1500#、2000#金相砂纸进行打磨抛光，用水清洗干净后并吹干。最后将铝箔、纯锆合金板和低碳钢板一起用无水酒精放入超声波中清洗20min，然后吹干，以待后续使用。

2)装配工件：

首先将铝箔放置于纯锆合金板与低碳钢板之间，将低碳钢板置于最底层，然后放置铝中间层，再将锆合金板置于最上层，调整使三者保持平行。然后将装配好的工件放置到两块耐热不锈钢之间，耐热不锈钢的作用是用来保持上下平行度一致，再小心将装配好的工件与耐热钢一起放入真空热压烧结炉中。最后，在镍基高温合金压头之间施加2MPa的预压力，使工件紧密接触，并关上炉门。

3)工件的加热、保温以及出炉：

首先对装配好工件的真空热压烧结炉进行抽真空，并编写加热温度，保温时间和压力等参数。当真空度大于10^-3MPa时开始加热，加热速率始终保持在10℃/min，直到温度达到460℃，施加轴向压力为3MPa，然后保温反应3h。保温反应结束后，停止加热，卸载轴向压力，但继续保持在10^-3MPa的真空度，使其随炉冷却。直到温度低于150℃以下，方可关闭抽真空，最后在不高于50℃下取出试样。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

Claims (4)

1.一种锆钢复合板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)选择纯铝或低熔点铝合金作为制备锆钢复合板的中间层，清除低碳钢板、锆板、纯铝或低熔点铝合金表面的氧化物以及机械杂物，以备焊接使用；

2)将步骤1)处理后的纯铝或低熔点铝合金置于锆板与低碳钢板之间得工件，锆板在上层，低碳钢板置于下层；然后将工件装配到两块耐热不锈钢之间，放置到真空热压烧结炉中，并在真空热压烧结炉的镍基高温合金压头预施加0.5-2MPa的压力减少锆板、中间层和低碳钢板之间的空隙；

3)对真空热压烧结炉进行抽真空，当真空度大于10^-3MPa时开始加热，加热速率为8-12℃/s，达到预设温度450-650℃时，保持真空热压烧结炉的镍基高温合金压头轴向压力为0.5-6MPa，保温0.5-10h；保温结束后，停止加热，卸载轴向压力但保持热压烧结炉内真空度；热压烧结炉温度低于150℃以下，关闭抽真空，随炉冷却低于50℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纯铝或低熔点铝合金的厚度为0.5mm-1mm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纯铝的纯度大于99.9％，所述低熔点铝合金为铝硅合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述铝硅合金为Al₁₂Si、Al₈Si或Al₄Si。

Images