CN109202314B - 一种max基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MAX相基陶瓷材料的电弧焊接领域，具体为一种MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，实现MAX基陶瓷材料之间的相互连接或者MAX相基陶瓷材料和其他材料的连接。该方法主要步骤有：(1)对待焊接的MAX相陶瓷材焊接处进行预处理，选取焊丝材料。(2)将待材料置于加热***中，到温后保温一段时间。(3)选取合适的焊接方法和设备，设定焊接使焊接参数至合适值。(4)进行电弧‑热扩散复合焊接。(5)焊接完成后保温一段时间，逐渐降低焊接处材料温度。(6)对焊接完成后的块体进行热处理。本发明涵盖技术路线种类多，可视不同的部件需求、焊接要求、设备条件等因素进行选择使用，其技术适应性和可移植性好。
Description
技术领域
本发明涉及MAX相基陶瓷材料的电弧焊接领域，具体为一种MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法。
背景技术
MAX相陶瓷(如：Ti3SiC2、Ti2AlC、Nb2AlC等)是一类具有众多独特优异性质的可加工陶瓷，这种可加工陶瓷同时具有共价键、金属键、离子键，所以兼具陶瓷和金属的性质，如：陶瓷材料的高熔点、抗氧化和抗腐蚀能力、金属的导电性、可加工性、损伤容抗、抗热冲击等性能，纳米陶瓷的耐辐射损伤性，上述特点使得MAX相陶瓷及其陶瓷基复合材料有望在高温服役部件、耐摩擦部件、导电元件、耐蚀部件、核工业部件等重大领域获得应用。
然而，目前烧结制备的MAX相基陶瓷，尤其是加压烧结制备的MAX相基陶瓷材料，普遍受烧结设备等因素限制，无法实现大尺寸部件和形状复杂部件的烧结制备。同时，虽然MAX相基陶瓷材料具有上述优点及优异性能，但是在很多使用场合下其优异性能只在整体部件小区域发挥作用，MAX相陶瓷需作为该区域性材料连接到整体部件上。因此，研究能将MAX相基陶瓷材料或MAX相基陶瓷材料与其他材料连接起来的焊接技术非常具有价值。
但是，目前已经公开的关于MAX相焊接的专利和文献中报道的方法都具有局限性。如：广泛报道采用的热压扩散法需在热压炉内完成，受热压设备限制无法实现大尺寸部件连接。采用钎焊的方法将焊件放在模具中，然后将模具放在真空加热炉中，对焊件施加机械压力进行焊接，也能对MAX相基陶瓷材料进行连接。上述方法同样受设备和方法的因素影响，无法实现大尺寸部件的连接。
电弧焊接技术，包括钨极氩弧焊(GTAW或TIG焊接)、等离子弧焊(PAW)和熔化极气体保护电弧焊(GMAW或者MIG焊接、MAG焊接)等都是工业上成熟的用于各种尺寸金属材料焊接的技术。但是由于MAX相特殊的材料性质，上述焊接方法还未在MAX相基陶瓷材料连接中有成功实现的文献报道。
发明内容
本发明目的是提供一种广泛适用的、高效便捷易于操作和不受场地及设备限制的MAX相基陶瓷材料基于电弧焊接技术的复合焊接方法，通过使用基于电弧焊接技术的复合焊接方式，实现MAX相陶瓷与金属焊料的有效连接，解决电弧焊接技术在MAX相基陶瓷材料连接中应用的难题。
本发明的技术方案是：
一种MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，采用电弧焊接的方法，使用焊丝作为填充焊缝的材料，使焊丝材料完全填充焊缝或连接焊接面，实现MAX基陶瓷材料之间的相互连接或者MAX相基陶瓷材料和其他材料的连接。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，电弧焊接方法是钨极氩弧焊、等离子弧焊或熔化极气体保护焊。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，电弧焊接过程中，采用氩气或氦气不与MAX相基陶瓷材料和焊丝在高温下反应的惰性气体保护，或者在真空条件下焊接。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，焊丝材质是镍铬合金、镍硅合金、铁铬铝合金或纯镍焊丝。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，电弧焊接过程中，同时对MAX相基陶瓷材料和焊丝进行辅助热扩散焊接，热扩散焊接温度500～2000℃，焊接前保温5～5000秒。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，热扩散焊接采用热源及加热方式是能带来热效应的加热方法：电流感应加热、红外加热、电阻加热或燃烧加热。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，焊接完成后对焊缝处进行热处理，热处理温度500～1800℃，保温时间10～6000分钟，随炉冷却至室温。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，焊接完成后对焊缝处进行热处理时施加压力，所施加压力尽量垂直焊缝面，施加压力为0.1～500MPa。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，热处理过程中，若热处理温度下具体某些MAX相种类或合金焊丝材质会发生严重氧化，则施加真空或惰性气体保护，否则直接大气环境热处理。
所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，焊接完成后保温60～1200秒，逐渐降低加热***输出功率，使焊接处材料温度缓慢降低，降温速率范围为5～30℃/分钟。
本发明的优点及有益效果是：
(1)本发明实现电弧焊接技术在MAX相基陶瓷材料焊接领域内的应用，解决电弧焊接技术在MAX相基陶瓷材料连接中的难题。
(2)跟其他MAX相基陶瓷材料焊接技术相比，本发明的电弧焊接方法简便，可使用设备广泛，产业庞大而且成熟，易于大面积推广。
(3)跟其他MAX相基陶瓷材料焊接技术相比，本发明的电弧焊接方法不受连接部件尺寸限制，小到一根细丝大到直径数米的管道或者罐体，所有电弧焊接能焊接的普通合金部件本发明都适用。
(4)本发明涵盖技术路线种类多，可视不同的部件需求，焊接要求，设备条件等因素进行选择使用，技术适应性和可移植性好。
附图说明
图1为焊缝区组织图片。
图2为图1中合金及陶瓷过渡层区进一步组织放大照片。
图3为从合金区、过渡层区、陶瓷区进行EDS元素线分布分析图。
图4为图3扫描线的分析结果。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提供的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，采用电弧焊接的方法，使用焊丝作为填充焊缝的材料，实现MAX基陶瓷材料之间的相互连接或者MAX相基陶瓷材料和其他材料的连接，具体步骤如下：
(1)选取待焊接的MAX相陶瓷材料，对陶瓷材料的焊接处进行打磨，得到新鲜光亮的表面。用陶瓷材料的焊接处进行吹扫和清洗，去除表面沾附的杂质。选取合适的合金丝材作为焊丝材料，焊丝材质可以是镍铬合金、镍硅合金、铁铬铝合金、纯镍等合金焊丝，具体使用何种焊丝由MAX相的种类和所需的具体连接状况、焊接环境等多种因素决定。
(2)将待焊接的MAX相陶瓷材料待焊处置于加热***的有效工作区内，启动加热***。将相关加热参数调整至合适值，将MAX相陶瓷材料都加热至所需温度，到温后保温一段时间。
(3)选取合适的焊接方法和设备，打开氩气保护***，启动等电弧焊接***。设定相关焊接使用气体流量，焊接参数至合适值。电弧焊接的具体工艺是钨极氩弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等电弧焊接方法，电弧焊接过程中均采用氩气、氦气等不与MAX相基陶瓷材料和焊丝在高温下反应的惰性气体保护或在真空条件下焊接。
(4)对MAX相复相陶瓷块体，所选合金丝材进行电弧-热扩散复合焊接，使焊丝材料完全填充焊缝或连接焊接面。焊丝材质可以是镍铬合金、镍硅合金、铁铬铝合金、纯镍等合金焊丝，具体使用何种焊丝由MAX相的种类和所需的具体连接状况、焊接环境等多种因素决定。
电弧焊接过程中，需要同时对MAX相基陶瓷材料和焊丝进行辅助热扩散焊接，热扩散焊接温度500～2000℃(优选为800～1200℃)，焊接前保温5～5000秒(优选为100～500秒)。具体热处理制度因不同种类的MAX相基陶瓷材料物理和化学性质不同导致的焊接性质和焊缝质量不同所需时间和温度等会差异很大。
(5)焊接完成后保温一段时间，逐渐降低加热***输出功率，使焊接处材料温度缓慢降低。
(6)对焊接完成后的块体进行热处理，选择合适的热处理温度，是否施加压力，施加压力方法，保温时间，升温速率等热处理参数。其中，热处理温度500～1800℃(优选为600～1400℃)，保温时间10～6000分钟(优选为60～240分钟)。所施加压力尽量垂直焊缝面，施加压力为0.1～500MPa(优选为20～200MPa)。热处理过程中，若热处理温度下具体某些MAX相种类或合金焊丝材质会发生严重氧化则施加真空或惰性气体保护，否则直接大气环境热处理。
由于本发明涵盖技术方法和路线广泛，为有助于进一步理解本发现的目的、方案、和优点先结合具体实例进行进一步清晰完整的描述。同时，需要指出的是下面所描述的实例仅仅是作为列举的部分工作和实施方案，并非全部的可以实施方案。凡是使用本发明权利要求范围内的技术方法，均应属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例中，MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法如下：
(1)选取品名为Ti3AlC2的热压烧结纯MAX相陶瓷块体一块，用砂轮机对Ti3AlC2块体的焊接处进行打磨，得到新鲜光亮的表面。用压缩空气对打磨后的表面进行吹扫，去除表面沾附的杂质。用无水乙醇和毛刷对表面进行简单刷洗后，用干净的空气吹干。选取牌号为Cr20Ni80的合金丝材作为焊丝材料。
(2)将待焊接的Ti3AlC2块体待焊处置于感应加热线圈有效工作区内，启动感应加热***。感应线圈震荡频率50KHz，加热电压50V，加热电流500A。将待焊处Ti3AlC2材料加热至1000℃，到温后保温100秒。
(3)打开氩气保护***，启动钨极氩弧焊***，采用直径1毫米的钨针，氩气流量值设定为10L/分钟，设定起弧电流120A，焊接电流130A，收弧电流200A，引弧方式高频引弧。
(4)对Ti3AlC2块体，Cr20Ni80的合金丝材进行钨极氩弧-热扩散复合焊接，使焊丝材料完全填充焊缝。
(5)焊接完成后100秒，逐渐降低感应加热***输出功率，使焊接处材料温度缓慢降低，降温速率10℃/分钟。
(6)对焊接完成后的块体进行去应力退火处理，退火温度600℃，保温时间2小时，升温速率10℃/分钟，随炉冷却至室温。
该方法焊接简便，易于方便实施，但是没有经过高温和加压处理焊缝组织强度低于高温高压处理过的组织，界面弯曲强度为150MPa，低于该Ti3AlC2块体320MPa的弯曲强度。
如图1所示，从焊缝区组织图片可知，合金陶瓷焊接界面处组织分为典型三个区域，由焊接填充焊缝的合金区、合金及陶瓷过渡层区、陶瓷区构成。
如图2所示，由合金及陶瓷过渡层区组织放大照片可知，该区域与合金及陶瓷区无明显结合界面，属于典型冶金结合及梯度缓慢过渡，因而结合状况良好，化学亲和性，物理膨胀系数匹配性好。该区域厚度约150微米，组织主要由陶瓷晶粒和渗透进陶瓷晶界的合金组成，图片中陶瓷晶界的合金呈亮色，陶瓷晶粒呈片层状和暗色。
如图3及图4所示，从合金区、过渡层区、陶瓷区进行EDS元素线分布分析可知，从合金区至过渡层区、陶瓷区Ni元素及Cr元素含量逐渐降低，Ti、Al、C元素逐渐升高，但是在过渡层的上下两个界面处观察到Al元素的富集，并在合金及过渡层界面最为明显。
实施例2
本实施例中，MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法如下：
(1)选取品名为纳米Ti2AlC/Al2O3复相陶瓷的热压烧结MAX相陶瓷块体两块，用砂纸对陶瓷块体的焊接处进行打磨，得到新鲜光亮的表面。用压缩空气对打磨后的表面进行吹扫，去除表面沾附的杂质。用无水乙醇和毛刷对表面进行简单刷洗后，用干净的空气吹干。选取牌号为0Cr21A17Mo2的合金丝材作为焊丝材料。
(2)将待焊接的纳米Ti2AlC/Al2O3复相陶瓷块体待焊处置于红外聚焦加热器有效工作区内，启动红外聚焦加热***。将焊缝处的纳米Ti2AlC/Al2O3复相陶瓷材料都加热至800℃，到温后保温60秒。
(3)打开氩气保护***，启动等离子弧焊***。使用铈钨电极，电极内缩量为1.5毫米。保护气氩气流量值设定为5L/分钟，离子气氩气流量设定为0.5L/分钟。维弧电流20A，喷嘴端面到焊件距离取3毫米，电弧电压36V。
(4)对纳米Ti2AlC/Al2O3复相陶瓷块体，0Cr21A17Mo2的合金丝材进行等离子弧-热扩散复合焊接，使焊丝材料完全填充焊缝。
(5)焊接完成后100秒，逐渐降低红外加热***输出功率，使焊接处材料温度缓慢降低，降温速率20℃/分钟。
(6)对焊接完成后的块体进行热等静压处理，热等静压温度1200℃，保温时间2小时，热等静压压力150MPa，升温速率10℃/分钟，随炉冷却至室温。
该方法焊接区域经过高温和加压处理焊缝组织的缺陷及相分解产物得到消除，界面结合强度明显增加，焊缝区弯曲强度为300MPa，超过未经高温高压处理的焊缝组织弯曲强度。
实施例3
本实施例中，MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法如下：
(1)选取品名为Nb2AlC的热压烧结纯MAX相陶瓷块体两块，用砂纸对Nb2AlC块体的焊接处进行打磨，得到新鲜光亮的表面。用压缩空气对打磨后的表面进行吹扫，去除表面沾附的杂质。用无水乙醇和毛刷对表面进行简单刷洗后，用干净的空气吹干。选取牌号Nb1的铌合金丝材作为焊丝材料。
(2)将待焊接连接的Nb2AlC两块体都处置于电阻加热器有效工作区内。施加氧化铝保温毡包覆保温和氧化铝砖隔绝非焊接区温度向空气外溢，仅露出焊缝区以方便实施焊接，启动电阻加热***。将整体Nb2AlC块体材料加热至1200℃，到温后保温3000秒。
(3)打开氩气保护***，启动钨极氩弧焊***，采用直径1.5毫米的钨针，氩气流量值设定为15L/分钟，设定起弧电流130A，焊接电流150A，收弧电流200A，引弧方式高频引弧。
(4)对Nb2AlC块体，Nb1的合金丝材进行钨极氩弧-热扩散复合对焊，使焊丝材料完全填充焊缝。
(5)对焊接完成后的两块Nb2AlC块体进行机械加压处理，施加压力100MPa，压力垂直焊缝面，保压时间4小时，维持电阻加热***热输出，将待整体Nb2AlC块体材料温度维持在至1200℃。
(6)焊接完成后1000秒，逐渐降低加热***输出功率，使焊接处材料温度缓慢降低，降温速率10℃/分钟。
该焊接方法简单，尤其适合超大部件如直径或长度超过500毫米的管或者板等部件的焊接。
Claims (9)
1.一种MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，采用电弧焊接的方法，使用焊丝作为填充焊缝的材料，使焊丝材料完全填充焊缝或连接焊接面，实现MAX基陶瓷材料之间的相互连接或者MAX基陶瓷材料和其他材料的连接；
电弧焊接过程中，同时对MAX基陶瓷材料和焊丝进行辅助热扩散焊接，热扩散焊接温度500～2000℃，焊接前保温5～5000秒。
2.按照权利要求1所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，电弧焊接方法是钨极氩弧焊、等离子弧焊或熔化极气体保护焊。
3.按照权利要求1所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，电弧焊接过程中，采用氩气或氦气不与MAX基陶瓷材料和焊丝在高温下反应的惰性气体保护，或者在真空条件下焊接。
4.按照权利要求1所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，焊丝材质是镍铬合金、镍硅合金、铁铬铝合金或纯镍焊丝。
5.按照权利要求1所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，热扩散焊接采用热源及加热方式是能带来热效应的加热方法：电流感应加热、红外加热、电阻加热或燃烧加热。
6.按照权利要求1所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，焊接完成后对焊缝处进行热处理，热处理温度500～1800℃，保温时间10～6000分钟，随炉冷却至室温。
7.按照权利要求1或6所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，焊接完成后对焊缝处进行热处理时施加压力，所施加压力尽量垂直焊缝面，施加压力为0.1～500MPa。
8.按照权利要求6所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，热处理过程中，若热处理温度下具体某些MAX相种类或合金焊丝材质会发生严重氧化，则施加真空或惰性气体保护，否则直接大气环境热处理。
9.按照权利要求1所述的MAX基陶瓷材料的电弧热扩散复合焊接方法，其特征在于，焊接完成后保温60～1200秒，逐渐降低加热***输出功率，使焊接处材料温度缓慢降低，降温速率范围为5～30℃/分钟。
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