CN113878220B - 一种钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法 - Google Patents

一种钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法，其中，复合材料由钨层、中熵合金层和钢层依次排列并通过扩散连接的方式制成；中熵合金层由Co、Fe、Ni和Cr中的任意三种元素组成。本发明采用面心立方中熵合金作为中间层材料，在其高熵效应和迟滞扩散效应的作用下，使得扩散焊界面处的原子扩散受到抑制，且与钨和钢的界面扩散层倾向于形成固溶体组织，避免钨与钢扩散焊时形成脆性金属间化合物或碳化物，提高了接头的力学性能，解决了钨/钢连接件强度低的问题。

Description

一种钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法
技术领域
本发明属于层状金属材料扩散焊接领域，更具体的说是涉及一种钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法。
背景技术
钨及其合金因具有高熔点、高强度、高热导率和和低溅射腐蚀率等特点，被视为是面向高温服役的理想材料。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，由于钨和钢的物理性能如热膨胀系数和弹性模量等相差很大，使得两者连接接头处会产生较大的热应力，导致钨/钢接头性能下降，严重降低部件的使用寿命。此外，由于钨与钢的熔点相差很大，传统的熔化焊难以实现两者的连接。
目前，钨/钢连接采用的焊接方法主要是钎焊和扩散焊，其中扩散焊由于接头使用温度高的优点成为钨与钢连接的最有应用前景的方法。钨与钢直接扩散焊接头的残余应力大，需要添加中间层来缓和接头的残余应力，同时避免或减少接头有害脆性金属间化合物的形成。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。
但是，现阶段采用的中间层主要有Ni、Nb、V、Ti等单金属或复合金属箔片，中间层采用上述单金属箔片时，易与基体钨或钢中的Fe、C等形成脆性的金属间化合物或碳化物，降低接头强度；而采用复合金属中间层如Ni/V、Ti/Ni时，中间层金属界面处也易生成Ni3V、Ni2V及Ti2Ni、TiNi等金属间化合物，导致接头性能(特别是疲劳性能)下降。
因此，为解决扩散焊接头易生成脆性相和缓释接头残余应力的问题，提供一种新型的中间层材料用以制备钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法以获得性能良好的钨/钢连接件，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法用以获得性能良好的钨/钢连接件。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种钨和钢层状金属复合材料，所述复合材料由钨层、中熵合金层和钢层依次排列并通过扩散连接的方式制成；
所述中熵合金层由Co、Fe、Ni和Cr中的任意三种元素组成。
本发明的有益效果：本发明采用面心立方中熵合金作为中间层材料，在其高熵效应和迟滞扩散效应的作用下，使得扩散焊界面处的原子扩散受到抑制，且与钨和钢的界面扩散层倾向于形成固溶体组织，避免钨与钢扩散焊时形成脆性金属间化合物或碳化物，提高了接头的力学性能，解决了钨/钢连接件强度低的问题。
优选地，所述三种元素的原子百分比为(0.8～1.2):(0.8～1.2):(0.8～1.2)，所述中熵合金层的晶体结构为面心立方结构。
采用上述技术方案的有益效果：本发明中采用的中间层材料为中熵合金，中熵合金因在热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的“鸡尾酒”效应，使得生成相数目远小于由吉布斯自由能相律确定的最大数目，易于形成单一固溶体结构，并具有良好的塑性和断裂韧性、抗高温氧化、极好的疲劳性和耐腐蚀性等特性。由于，本发明中采用的面心立方结构的中熵合金具有良好的塑性和冷热加工性能，将其作为钨和钢扩散连接的中间层材料，优势在于：扩散连接过程中，中熵合金的高熵效应和迟滞扩散效应使得扩散层倾向于形成稳定的固溶体，从而抑制了脆性金属间化合物的生成，得到性能良好的焊接接头；同时，利用面心立方中熵合金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，以实现钨和钢的高强度连接。
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和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钨、钢和中熵合金的待焊接表面打磨抛光，备用；
(2)对步骤(1)得到的钨、钢和中熵合金进行超声清洗、吹干；
(3)将步骤(2)得到的钨、中熵合金和钢依次排列进行组合，然后置入石墨模具中，并进行扩散连接，获得钨/中熵合金/钢的连接件。
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，步骤(3)中，所述中熵合金的厚度为0.3～0.8mm。
优选地，步骤(3)中所述扩散连接为放电等离子扩散连接或真空热压扩散连接。
优选地，所述放电等离子扩散过程中的连接温度为800～1100℃，保温时间为10～20min，焊接压力为20～50MPa，真空度为≤50Pa，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。
优选地，所述真空热压扩散过程中的连接温度为800～1100℃，保温时间为0.5～4h，焊接压力为20～40MPa，真空度≤5×10-2Pa，升温速率为5～15℃/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钨和钢层状金属复合材料及其扩散连接方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用面心立方结构的中熵合金作为中间层材料，在其高熵效应和迟滞扩散效应的作用下，使得扩散焊界面处的原子扩散受到抑制，且中间层与钨和钢的界面扩散层倾向于形成固溶体组织，避免钨与钢扩散时形成脆性金属间化合物或碳化物，提高了接头的力学性能，解决了钨/钢连接件强度低的问题。
2、面心立方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/钢连接件接头残余应力大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为通过本发明所提供的扩散连接方法制备获得的钨和钢连接件的结构示意图；
图2为采用CoFeNi作为中熵合金中间层的钨和钢连接件的显微组织形貌。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，包括以下步骤：
(1)将钨、铁素体钢和等原子比的CoFeNi中熵合金(Co：Fe：Ni＝1：1：1)分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.6mm的尺寸；
(2)采用SiC砂纸将钨、CoFeNi中熵合金和铁素体钢的待焊接表面打磨光亮至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、CoFeNi中熵合金和铁素体钢依次放入酒精中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨/CoFeNi中熵合金/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连接，以升温速率为80℃/min，真空度≤50Pa，焊接压力为40MPa，进行升温至扩散连接温度为800℃，保温时间为15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
实施例2
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，与实施例1的不同之处在于所用扩散连接温度为900℃。
实施例3
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，与实施例1的不同之处在于所用扩散连接温度为1000℃。
实施例4
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，包括以下步骤：
(1)将钨、铁素体钢和等原子比的CoFeNi中熵合金(Co：Fe：Ni＝1：1：1)分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.6mm的尺寸；
(2)采用SiC砂纸将钨、铁素体钢和CoFeNi中熵合金的待焊接表面打磨光亮至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、铁素体钢和CoFeNi中熵合金依次放入酒精中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨/CoFeNi中熵合金/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真空热压炉中进行扩散连接，以升温速率为10℃/min，真空度≤5×10-2Pa，焊接压力为20MPa，进行升温至扩散连接温度为900℃，保温时间为1h，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
实施例5
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，包括以下步骤：
(1)将钨、马氏体钢和等原子比的CoCrNi中熵合金(Co：Cr：Ni：＝1：1：1)分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.4mm的尺寸；
(2)采用SiC砂纸将钨、马氏体钢和CoCrNi中熵合金的待焊接表面打磨光亮至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、马氏体钢和CoCrNi中熵合金依次放入酒精中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨/CoCrNi中熵合金/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连接，以升温速率为80℃/min，真空度为≤50Pa，焊接压力为50MPa，进行升温至扩散连接温度为800℃，保温时间为15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
实施例6
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，与实施例5的不同之处在于所用扩散连接温度为900℃。
实施例7
钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，包括以下步骤：
(1)将钨、马氏体钢和等原子比的CoCrNi中熵合金(Co：Cr：Ni＝1：1：1)分别加工成8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×8mm、8mm×8mm×0.5mm的尺寸；
(2)采用SiC砂纸将钨、马氏体钢和CoCrNi中熵合金的待焊接表面打磨光亮至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨、马氏体钢和CoCrNi中熵合金依次放入酒精中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨/CoCrNi中熵合金/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真空热压炉中进行扩散连接，以升温速率为10℃/min，真空度≤5×10-2Pa，焊接压力为20MPa，进行升温至扩散连接温度为900℃，保温时间为1h，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
对比例1
钨和钢连接件的扩散连接方法，包括以下步骤：
(1)将钨和铁素体钢分别加工成8mm×8mm×8mm的尺寸；
(2)采用SiC砂纸将钨和铁素体钢的待焊接表面打磨光亮至表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨和铁素体钢依次放入酒精中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨/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连接，以升温速率为80℃/min，真空度为≤50Pa，焊接压力为40MPa，进行升温至扩散连接温度为900℃，保温时间为15min，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
对比例2
钨和钢连接件的扩散连接方法，与对比例1的不同之处在于所用扩散连接温度为950℃。
对比例3
钨和钢连接件的扩散连接方法，包括以下步骤：
(1)将钨和铁素体钢分别加工成8mm×8mm×8mm的尺寸；
(2)采用SiC砂纸将钨和铁素体钢的待焊接表面打磨光亮，表面粗糙度Ra≤5μm；
(3)将钨和铁素体钢依次放入酒精中进行超声清洗20min，吹干备用；
(4)将材料按钨/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真空热压炉中进行扩散连接，以升温速率为10℃/min，真空度≤5×10-2Pa，焊接压力为20MPa，进行升温至扩散连接温度为900℃，保温时间为1h，然后以降温速率为10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
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1-7和对比例1-3得到的焊接接头的抗拉强度数据如表1。
表1钨/钢接头的抗拉强度检测结果
Figure BDA0003234496510000081
由表1中的数据，可以得出，采用本发明中的复合材料及扩散连接方法得到的含有中间层(中熵合金)的焊接接头的平均抗拉强度要远远高于对比例中不含有中间层(中熵合金)的焊接接头的平均抗拉强度。
关于钨层和钢层的尺寸不限于实施例1-7中的尺寸。
通过附图2中的显微结构，界面处未发现不连续、裂纹或开裂等缺陷。
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 (6)

1.一种钨和钢层状金属复合材料，其特征在于，所述复合材料由钨层、中熵合金层和钢层依次排列并通过扩散连接的方式制成；
所述中熵合金层由Co、Fe、Ni三种金属或Co、Cr、Ni三种金属组成；三种元素的原子百分比为(0.8～1.2):(0.8～1.2):(0.8～1.2)，所述中熵合金层的晶体结构为面心立方结构；
所述的钨和钢层状金属复合材料制作步骤包括：
(1)将钨、钢和中熵合金的待焊接表面打磨抛光，备用；
(2)对步骤(1)得到的钨、钢和中熵合金进行超声清洗、吹干；
(3)将步骤(2)得到的钨、中熵合金和钢依次排列进行组合，然后置入石墨模具中，并进行扩散连接，获得钨/中熵合金/钢的连接件；
所述扩散连接为放电等离子扩散连接或真空热压扩散连接。
2.根据权利要求1所述的一种钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，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。
3.根据权利要求1所述的一种钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，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。
4.根据权利要求1所述的一种钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，其特征在于，步骤(3)中，所述中熵合金的厚度为0.3～0.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，其特征在于，所述放电等离子扩散过程中的连接温度为800～1100℃，保温时间为10～20min，焊接压力为20～50MPa，真空度为≤50Pa，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。
6.根据权利要求1所述的一种钨和钢层状金属复合材料的扩散连接方法，其特征在于，所述真空热压扩散过程中的连接温度为800～1100℃，保温时间为0.5～4h，焊接压力为20～40MPa，真空度≤5×10-2Pa，升温速率为5～15℃/min，降温速率为5～10℃/min至500℃，随后炉冷至室温。
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