CN106041289A - 一种叠层复合材料与低合金钢的扩散连接工艺 - Google Patents

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张元彬
霍玉双
刘鹏
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Abstract

本发明公开了一种叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，主要是在叠层复合材料与低合金钢的接触界面之间添加铌箔中间合金，将其进行真空扩散连接，工艺参数为：采用逐级升温方式，在550℃、750℃和950℃各设置一个平台，扩散连接温度1020℃～1180℃、保温时间30min～80min、连接压力5MPa～15MPa、真空度为1.33×10‑5～1.33×10‑4Pa，待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出被连接件。该发明可以促进叠层复合材料与低合金钢的界面扩散结合，连接接头的强度和力学性能稳定可靠，能够满足对叠层复合材料与低合金钢扩散接头的使用要求。

Description

一种叠层复合材料与低合金钢的扩散连接工艺
技术领域
本发明涉及一种叠层复合材料的焊接工艺，特别是针对叠层复合材料与钢异种材料之间的扩散连接工艺，属于焊接技术领域。
背景技术
由镍基覆层和Ni-Cr基层通过真空等静压轧制方法制成的叠层复合材料，具有良好的高温性能以及抗氧化、耐腐蚀性，可应用于航空航天、核工程、能源、石化等领域。将这种叠层复合材料与结构钢连接形成复合结构能发挥各自的性能，用于特定零部件制造有独特的优势。
但是实现叠层复合材料的焊接难度很大，使其应用受到限制。中国发明专利ZL200810016502.8实现了叠层复合材料与不锈钢的钨极氩弧焊，中国发明专利ZL201010518517.1、ZL 201010518/04.4和ZL 201110438670.8实现了叠层复合材料与不锈钢的真空钎焊，扩大了叠层复合材料的应用领域。但是，本质上属熔焊方法的钨极氩弧焊（ZL200810016502.8）难以适应一些精密和形状复杂的连接件，钎焊方法（201010518517.1、ZL201010518/04.4和ZL 201110438670.8）用于叠层复合材料的接头强度性能也受到一些结构件的使用要求限制。
因此本发明针对熔焊方法和钎焊方法用于叠层复合材料的不足，提出一种叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法。采用这种方法用于叠层复合材料与低合金钢的连接，可实现连接界面的冶金结合，连接接头的应力比熔焊时小的多，连接接头的强度性能优于钎焊接头的接头强度，适合连接界面接触面积大、要求结合强度高的零部件制造。目前，国内外文献中尚未见有关叠层复合材料与钢异种材料之间扩散连接的报道。
发明内容
本发明针对现有叠层复合材料焊接技术的不足，提供了一种焊接效率高和适应性强的用于叠层复合材料与低合金钢的扩散连接工艺。采用本发明的方法可获得界面结合良好的扩散连接接头。这种方法适用于叠层复合材料与低合金钢等异种材料的连接，连接接头具有良好的强度性能和力学稳定性。
这种叠层复合材料利用超级镍作韧化复层，具有很好抗疲劳性能。超级镍复层的厚度仅0.2mm～0.3mm，Ni含量质量分数大于99.5%，超出纯镍的国家一级标准，因此称为超级镍。基层为Ni-Cr合金，厚度为2mm～3mm。
本发明的工艺步骤如下：
为了实现叠层复合材料与低合金钢的扩散连接，本发明采用的技术方案是：在叠层复合材料与低合金钢的待连接面之间添加铌箔合金层，在真空条件下通过控制温度、压力和扩散时间等实现叠层复合材料与钢的可靠连接。所采用的工艺步骤如下：
（1）扩散连接前对叠层复合材料与低合金钢件连接处进行预处理：将叠层复合材料的超级镍复层待连接表面经过机械加工方法去除，露出Ni-Cr基层，再经打磨或化学处理；对低合金钢连接表面进行打磨或化学处理。
（2）在叠层复合材料NI-Cr基层与低合金钢待连接处放置铌箔中间合金层，并将添加中间层的待连接工件叠放装配好，厚度大的钢件在下，厚度小的叠层复合材料在上。
（3）将装配好的叠层复合材料与低合金钢待连接件放置于扩散连接设备的真空室中，用上、下压头压紧待扩散连接的工件，要求整个组合连接件与压头的接触表面平行。
（4）扩散连接工艺参数为：采用逐级升温方式，在550℃、750℃和950℃各设置一个平台，平台保温时间10min～15min。扩散连接温度1020℃～1180℃、保温时间30min～80min、连接压力5MPa～15MPa、真空度为1.33×10-5～1.33×10-4Pa。
（5）缓慢降温，从连接温度至800℃降温速率5℃～10℃/min；800℃以下降温速率10℃～15℃/min；待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出被连接件。
本发明采用的铌箔中间层为纯度大于99.95%的纯铌箔，厚度为10μm～40μm。铌箔的化学成分以质量百分比计为：Nb≥99.95%，其余≤0.05%。添加铌箔中间合金有利于促进叠层复合材料与低合金钢界面的扩散结合。
本发明的有益效果是：添加铌箔中间合金的叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，界面处发生铌箔中Nb与低合金钢中的C扩散反应，生成NbC等新的物相并促进Ni-Cr基层与低合金钢界面的扩散结合。
本发明具有工艺简单、界面冶金结合、接头强度稳定、便于推广应用等特点，尤其适用于要求界面接触面积大的叠层复合材料与低合金钢结构件的连接。连接接头的强度和力学性能稳定可靠，能够满足对叠层复合材料与低合金钢扩散接头的使用要求。
附图说明
图1，叠层复合材料与低合金钢搭接的扩散连接示意。
图2，叠层复合材料与低合金钢双面搭接的扩散连接示意。
图中1是叠层复合材料，2是低合金钢。
具体实施方式
实施例1
针对长度为90mm、宽度为45mm、厚度为3mm的叠层复合材料与长度为90mm、宽度为90mm、厚度为16mm的Q345低合金钢搭接进行的扩散连接，搭接连接面为90mm×45mm接触面。工艺步骤如下：
（1）机械加工去除叠层复合材料待连接面的超级镍覆层，露出待连接面Ni-Cr基层（90mm×45mm接触面），待连接表面处用金相砂纸打磨后用无水乙醇擦拭，以去除连接表面的油污和杂物。
（2）用纯度大于99.95%的铌箔作为中间层，铌箔厚度30μm，铌箔的化学成分以质量百分比计为：Nb≥99.95%，其余≤0.05%。
（3）将铌箔中间合金放置于矩形状叠层复合材料和Q345低合金钢搭接待连接面之间，将待连接件叠放装配好，低合金钢件在下，叠层复合材料在上。叠层复合材料与低合金钢搭接的扩散连接如图1所示。
（4）将装配好的待连接工件放置于扩散连接设备的真空室中，并用上、下压头压紧；要求连接界面与压头的接触表面平行。
（5）加热过程设置3个保温平台，550℃前升温速率8℃/min，550℃～950℃升温速率6℃/min，950℃至连接温度升温速率4℃/min，平台保温时间10min。
（6）扩散连接工艺参数为：连接温度1060℃、保温时间55min、连接压力6MPa、真空度为1.33×10-5Pa。
（7）缓慢降温，从连接温度至800℃降温速率6℃/min；800℃以下降温速率8℃/min。
（8）待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出工件。
经检测，矩形状叠层复合材料与低合金钢搭接的扩散连接界面结合良好，扩散连接接头剪切强度达340MPa。能够满足叠层复合材料与低合金钢搭接扩散连接接头的使用要求。
实施例2
针对两块长度为60mm、宽度为60mm、厚度为3mm的叠层复合材料与长度为60mm、宽度为60mm、厚度为25mm的Q345低合金钢双面搭接进行的扩散连接，搭接连接面为60mm×30mm双面接触面。工艺步骤如下：
（1）机械加工去除叠层复合材料待连接正反两面的超级镍覆层，露出正反两侧待连接面Ni-Cr基层60mm×30mm接触面，两面待连接表面处用金相砂纸打磨后用无水乙醇擦拭，以去除连接表面的油污和杂物。
（2）用纯度大于99.95%的铌箔作为中间层，铌箔厚度30μm，铌箔的化学成分以质量百分比计为：Nb≥99.95%，其余≤0.05%。
（3）将铌箔中间合金放置于矩形状叠层复合材料和Q345低合金钢正反两侧的搭接待连接面之间，将待连接件叠放装配好，低合金钢件在中间，叠层复合材料上、下放置。叠层复合材料与低合金钢双面搭接的扩散连接如图2所示。
（4）将装配好的待连接工件放置于扩散连接设备的真空室中，并用上、下压头压紧；要求组合连接界面与压头的接触表面平行。
（5）加热过程设置3个保温平台，550℃前升温速率8℃/min，550℃～950℃升温速率6℃/min，950℃至连接温度升温速率4℃/min，平台保温时间12min。
（6）扩散连接工艺参数为：连接温度1120℃、保温时间65min、连接压力8MPa、真空度为1.33×10-5Pa。
（7）缓慢降温，从连接温度至800℃降温速率6℃/min；800℃以下降温速率8℃/min。
（8）待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出工件。
经检测，双面搭接的矩形状叠层复合材料与低合金钢的扩散连接界面结合良好，扩散连接接头剪切强度达350MPa。能够满足叠层复合材料与低合金钢双面搭接扩散连接接头的使用要求。

Claims (5)

1.一种叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）连接前将叠层复合材料与低合金钢待连接处进行机械加工方法去除，并对待连接处进行预处理；
（2）在叠层复合材料与低合金钢待连接处添加铌箔中间合金以促进其界面扩散结合；
（3）将待连接工件叠放装配好，置于扩散连接设备的真空室中，用上、下压头加紧，扩散连接界面与压头的接触表面平行；
（4）扩散连接工艺参数为：采用逐级升温方式，在550℃、750℃和950℃各设置一个平台，平台保温时间10min～15min，扩散连接温度1020℃～1180℃、保温时间30min～80min、连接压力5MPa～15MPa、真空度为1.33×10-5～1.33×10-4Pa，缓慢降温，从连接温度至800℃降温速率5℃～10℃/min；800℃以下降温速率10℃～15℃/min；
（5）待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出被连接件。
2.根据权利要求1所述的叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，其特征在于：所述步骤（1）中的机械加工为铣床或磨床加工，预处理为用金相砂纸打磨、无水乙醇擦拭和或用浓度10%的盐酸溶液将待连接面的氧化膜去除。
3.根据权利要求1所述的叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，其特征在于：所述步骤（2）中的铌箔中间合金为纯度大于99.95%的铌箔，铌箔的化学成分以质量百分比计为：Nb≥99.95%，其余≤0.05%。
4.根据权利要求1所述的叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤（3）中，具体处理方法为：用耐高温的上、下压头压紧待扩散连接的工件，要求扩散连接界面件与上、下压头的接触表面平行。
5.根据权利要求1所述的叠层复合材料与低合金钢的扩散连接方法，其特征在于：所述步骤（2）中，铌箔中间合金的厚度为10μm～40μm。
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