CN113732467B - 一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了的一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法，其中，复合中间层由金属Ⅰ、中熵合金、金属Ⅱ依次排列组成；金属Ⅰ和金属Ⅱ均选自镍或铌，金属Ⅰ和金属Ⅱ的厚度均为5～50μm；中熵合金由Co、Cr和Ni三种元素组成；还公开了复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法。本发明中的复合中间层既可利用中熵合金及金属单质的良好的塑性变形能力，降低钨/钢连接件残余应力，提高接头强度，又能在制作钨/钢连接件过程中降低扩散焊温度且缩短保温时间。

Description

一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法
技术领域
本发明涉及金属焊接件技术领域，更具体的说是涉及一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法。
背景技术
钨及其合金具有高熔点、高强度、高热导率和低的溅射腐蚀率等优点，被认为是理想的面向高温使用的材料。但是钨的密度大，韧脆转变温度高，机械加工困难。钢是常用的金属结构材料，具有良好的高温力学性能、高热导率、容易加工等特性。因此，两者的可靠连接是制备高性能面对高温服役部件的关键技术之一；然而，由于钨与钢的热物理性能如熔点、热膨胀系数、热导率等差异较大，使得传统的熔化焊难以实现两者的可靠连接。
目前，钨与钢的连接方法主要有真空扩散焊和钎焊。钎焊连接件往往具有钎料熔点较低致使钎焊连接件使用温度较低，或钎料中加入较多的Si、B等元素与金属形成脆性的金属间化合物而使连接件性能变差。真空扩散焊则因其相对较低的连接温度和连接件的高温使用性等特点，被视为是连接钨与钢最有效的方法之一。钨与钢进行扩散焊接时，由于钨与钢之间热膨胀系数差异(钨4.5×10-6K-1，钢12-14×10-6K-1)较大，使得在焊后降温过程中连接界面处容易产生较大的残余应力，此外，钨/钢直接扩散界面处极易产生脆性的金属间化合物，这些因素均导致连接件性能的降低，甚至造成连接失效。
因此，为解决上述问题，常通过添加中间层的方式来缓解界面处的应力状态，减少界面处脆性金属间化合物的生成，以提高连接件的性能。具有高熔点、低屈服强度的材料常用来作为焊接钨和钢的中间层。现阶段的研究中，Ni、Nb、V、Ti、Fe等单金属或双金属已作为中间层用于钨/钢的扩散焊接，且已获得了具有一定强度的连接件；然而，根据研究结果可知，在扩散焊接过程中上述中间层与母材反应仍有脆性相的生成，如V和Ti与钢中元素反应形成脆性的金属间化合物、双金属中间层如Ni/V界面处有Ni3V、Ni2V、Ni2V3等金属间化合物生成，这些脆性相的生成造成连接件接头强度的降低。此外，在连接件的焊后热处理及高温服役过程中，反应层厚度会进一步增加，连接件性能会进一步下降。
近年来，中熵(高熵)合金因其优异的性能受到越来越广泛的关注。不同于传统基于一种或两种主元的合金材料，中熵(高熵)合金是指含有多种主要组成元素的合金，其普遍形成单一的固溶体结构。由于其独特的成分与结构，中熵(高熵)合金显示出热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的“鸡尾酒效应”。这四大效应赋予了中熵(高熵)合金高的塑性和断裂韧性、抗高温氧化、良好的耐腐蚀性及热稳定性等优异的性能。其中，CoCrNi中熵合金为单相面心立方固溶体，具有高熔点和良好的塑性及冷热加工性能，将其作为钨与钢扩散焊接的中间层材料时，可利用其屈服强度和弹性模量较低的特点有效缓释异种材料连接界面应力，以实现钨和钢的连接。然而，相比于纯金属而言，中熵(高熵)合金的高熵效应和迟滞扩散效应使其与母材的界面扩散较为缓慢，需要较高的焊接温度或较长的保温时间才能达到高强度界面结合。
因此，为了在较低的焊接温度或较短的保温时间获得高强度的钨/钢连接件，进一步提高焊接效率，提供一种用于钨/钢连接件的复合中间层及钨/钢连接件的扩散焊接方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能够在较低的焊接温度或较短的保温时间获得高强度的钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于钨/钢连接件的复合中间层，所述复合中间层由金属Ⅰ、中熵合金、金属Ⅱ依次排列组成；
所述金属Ⅰ和金属Ⅱ均选自镍或铌，所述金属Ⅰ和金属Ⅱ的厚度均为5～50μm；
所述中熵合金由Co、Cr和Ni三种元素组成。
本发明的有益效果：本发明中的复合中间层既可利用中熵合金及金属单质的良好的塑性变形能力，降低钨/钢连接件残余应力，提高接头强度，又能在制作钨/钢连接件过程中降低扩散焊温度且缩短保温时间。
优选地，所述Co、Cr和Ni三种元素的原子百分比为(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1)，所述中熵合金的晶体结构为面心立方结构。
优选地，所述中熵合金厚度为0.3～0.8mm。
采用上述技术方案的有益效果：CoCrNi中熵合金的屈服强度和弹性模量较低，可通过中间层的塑性变形或粘塑性变形充分缓释连接界面应力，解决了钨/钢连接件残余应力大的问题。
优选地，所述钨可替换为钨合金，所述钢选自铁素体钢、马氏体钢或奥氏体钢。
本发明中还提供了一种钨/钢连接件的扩散焊接方法，包括如下步骤：
(1)将钨、金属Ⅰ、金属Ⅱ、中熵合金和钢的待焊接表面打磨抛光，备用；
(2)对步骤(1)中得到的进行超声清洗、吹干；
(3)将步骤(2)中得到的钨、金属Ⅰ、中熵合金、金属Ⅱ和钢按照顺序进行组合，然后置于石墨模具中，进行放电等离子扩散焊接，获得钨/钢连接件。
优选地，步骤(1)中，所述打磨抛光要求为表面粗糙度Ra≤5μm。
优选地，步骤(2)中，所述超声清洗选用的溶剂为丙酮或酒精，所述超声清洗时间为10～30min。
优选地，所述放电等离子扩散焊接的工艺参数为：真空度≤50Pa，放电等离子扩散焊接温度为800～950℃，保温时间为5～20min，焊接压力为20～50MPa，升温速率为50～100℃/min，降温速率为5～10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法，具有如下有益效果：本发明中在CoCrNi中熵合金与钨及CoCrNi中熵合金与钢之间***纯镍(或纯铌)的箔片，可促进界面扩散，形成良好的界面冶金结合，提高连接强度，降低焊接温度或缩短保温时间。由于扩散焊接的温度降低或保温时间缩短，因此本发明可以提高焊接效率，从而降低扩散焊接生产成本。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
钨/钢连接件的扩散焊接方法，包括以下步骤：
(1)将纯钨、铁素体钢、CoCrNi中熵合金(Co：Cr：Ni＝1：1：1)、纯镍箔片分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.6mm、8mm×8mm×0.005mm的尺寸；
(2)将纯钨、铁素体钢、CoCrNi中熵合金和纯镍的待焊接表面进行打磨抛光至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将纯钨、铁素体钢、CoCrNi中熵合金和纯镍依次放入无水乙醇中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨、纯镍箔片、CoCrN、纯镍箔片、钢的顺序进行组合，然后将该组合置于石墨模具中；将装有待焊试样的石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行扩散焊接，以升温速率为80℃/min，真空度≤50Pa，焊接压力为50MPa，进行升温至扩散焊接温度为900℃，保温15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随炉冷至室温，得到钨/Ni/CoCrNi/Ni/钢的连接件。
实施例2
钨/钢连接件的扩散焊接方法，与实施例1的不同之处在于扩散焊接温度为850℃。
实施例3
钨/钢连接件的扩散焊接方法，与实施例1的不同之处在于保温时间为5min，纯镍的厚度为0.01mm。
实施例4
钨/钢连接件的扩散焊接方法，包括以下步骤：
(1)将钨、马氏体钢、CoCrNi中熵合金(Co：Cr：Ni＝1：1：1)、纯铌箔片分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.6mm、8mm×8mm×0.05mm的尺寸；
(2)将钨、马氏体钢、CoCrNi中熵合金和纯铌的待焊接表面打磨抛光至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、马氏体钢、CoCrNi中熵合金和纯铌依次放入无水乙醇中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨、纯铌箔片、CoCrNi、纯铌箔片、钢的顺序进行组合，然后将该组合置于石墨模具中；将装有待焊试样的石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行扩散焊接，以升温速率为80℃/min，真空度≤50Pa，焊接压力为50MPa，进行升温至扩散焊接温度为900℃，保温15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随炉冷至室温，得到钨/Nb/CoCrNi/Nb/钢的连接件。
实施例5
钨/钢连接件的扩散焊接方法，包括以下步骤：
(1)将钨、马氏体钢、CoCrNi中熵合金(Co：Cr：Ni＝1：1：1)、纯铌箔片、纯镍箔片分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.6mm、8mm×8mm×0.05mm、8mm×8mm×0.005mm的尺寸；
(2)将钨、马氏体钢、CoCrNi中熵合金和纯铌的待焊接表面打磨抛光，表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、马氏体钢、CoCrNi中熵合金和纯铌依次放入无水乙醇中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨、纯铌箔片、CoCrNi、纯镍箔片、钢的顺序进行组合，然后将该组合置于石墨模具中；将装有待焊试样的石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行扩散焊接，以升温速率为80℃/min，真空度≤50Pa，焊接压力为50MPa，进行升温至扩散焊接温度为900℃，保温15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随炉冷至室温，得到钨/Ni/CoCrNi/Ni/钢的连接件。
对比例1
钨/钢连接件的扩散焊接方法，包括以下步骤：
(1)将纯钨、铁素体钢和等原子比的CoCrNi中熵合金(Co：Cr：Ni＝1：1：1)分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.6mm的尺寸；
(2)将钨、铁素体钢和CoCrNi中熵合金待焊接表面打磨抛光至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、铁素体钢和CoCrNi中熵合金依次放入无水乙醇中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨、CoCrNi、钢的顺序进行组合，然后将该组合置于石墨模具中；将装有待焊试样的石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行扩散焊接，以升温速率为80℃/min，真空度≤50Pa，焊接压力为50MPa，进行升温至扩散焊接温度为900℃，保温15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随炉冷至室温，得到钨/CoCrNi/钢/的连接件。
对比例2
钨/钢连接件的扩散焊接方法，与对比例1的不同之处在于扩散焊接温度为1000℃，钢为马氏体钢。
性能测试
为了对比分析不同工艺下的钨/钢接头强度，采用力学实验机对钨/钢扩散焊接头进行拉伸实验测试试样的室温抗拉强度，每组选取3个试样进行拉伸实验，抗拉强度为3个试样拉伸强度的平均值；实施例1-5和对比例1-2得到的焊接接头的抗拉强度数据如下表1：
表1 钨/钢扩散焊连接件的抗拉强度测试结果
Figure BDA0003234010330000061
Figure BDA0003234010330000071
由上述表格中的数据可知，采用本发明中的方案得到的连接件的抗拉强度要高于采用对比例的方案得到的连接件。
本发明采用镍或(铌)/中熵合金/镍(或铌)复合中间层，利用面心立方结构中熵合金屈服强度和弹性模量较低的特点，中间层材料可有效缓释连接件界面残余应力；此外，在CoCrNi中熵合金与钨及CoCrNi中熵合金与钢之间***纯镍(或纯铌)箔片，可促进界面扩散，降低焊接温度或缩短保温时间，形成良好的界面冶金结合；相比于CoCrNi中熵合金单一中间层，采用复合中间层可以在保证连接强度的基础上，可以降低焊接温度，缩短保温时间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种采用复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法，其特征在于，所述复合中间层由金属Ⅰ、中熵合金、金属Ⅱ依次排列组成；
所述金属Ⅰ和金属Ⅱ均选自镍或铌，所述金属Ⅰ和金属Ⅱ的厚度均为5～50μm；
所述中熵合金由Co、Cr和Ni三种元素组成；
所述方法包括如下步骤：
(1)将钨、金属Ⅰ、金属Ⅱ、中熵合金和钢的待焊接表面打磨抛光，备用；
(2)对步骤(1)中得到的进行超声清洗、吹干；
(3)将步骤(2)中得到的钨、金属Ⅰ、中熵合金、金属Ⅱ和钢按照顺序进行组合，然后置于石墨模具中，进行放电等离子扩散焊接，获得钨/钢连接件；
所述放电等离子扩散焊接的工艺参数为：真空度≤50Pa，放电等离子扩散焊接温度为800～950℃，保温时间为5～20min，焊接压力为20～50MPa，升温速率为50～100℃/min，降温速率为5～10℃/min至500℃，随炉冷至室温。
2.根据权利要求1所述的采用复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法，其特征在于，所述Co、Cr和Ni三种元素的原子百分比为(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1)，所述中熵合金的晶体结构为面心立方结构。
3.根据权利要求2所述的采用复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法，其特征在于，所述中熵合金厚度为0.3～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的采用复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法，其特征在于，步骤(1)中，所述打磨抛光要求为表面粗糙度Ra≤5μm。
5.根据权利要求1所述的采用复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声清洗选用的溶剂为丙酮或酒精，所述超声清洗时间为10～30min。
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