CN106238740B - 纯铁与低活性钢低温强化连接方法 - Google Patents

纯铁与低活性钢低温强化连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及异类材料连接领域，特别是纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，用高活性Fe‑Cu粉末作为中间过渡层，采用真空或保护气氛结合压力的方法进行扩散连接以促进烧结过程中的中间过渡层元素扩散，形成强冶金结合，使材料在低温下达到高强度连接的效果。本发明提供的纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，在较低温度下使Fe‑Cu粉末与母材产生较强的互扩散，形成高强度冶金结合，实现高性能连接，其连接温度为500～850℃，对低活性钢本体的力学性能损伤较小；Fe‑Cu粉末作为中间过渡层的厚度为20～80μm，其界面拉伸强度为150～300MPa。

Description

纯铁与低活性钢低温强化连接方法
技术领域
本发明涉及异类材料连接领域，特别是纯铁与低活性钢的低温强化连接方法。
背景技术
偏滤器是未来核聚变堆中的重要组成部件，W具有熔点高、抗热冲击性能好、低的氚滞留等特点，是偏滤器的首选面向等离子体材料；低活性钢(Reduced ActivationFerritic/Martensitic steel,RAFM钢)具有较低辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良性能，是偏滤器的首选热沉结构材料。因此W与RAFM钢的连接成为近年来的研究热点。但是W与RAFM钢的熔点、热膨胀系数相差较大容易在连接界面处产生热应力。两者直接连接会由于界面处的热应力而降低连接性能。有学者采用钎焊、铸造等技术对W与RAFM钢进行连接，但由于局部连接温度过高，导致界面处热应力过高降低连接性能。为了避免局部受热带来的连接缺陷，有学者采用热等静压(HIP)的方法对W与RAFM钢进行连接，但是依然无法有效缓释界面处热应力，提高连接性能。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于设计采用高活性Fe-Cu粉末作为中间过渡层，采用真空或保护气氛，加上压力的方法进行扩散连接以促进烧结过程中的中间过渡层元素扩散，形成强冶金结合。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体方案如下：
纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，用高活性Fe-Cu粉末作为中间过渡层，采用真空或保护气氛结合压力的方法进行扩散连接以促进烧结过程中的中间过渡层元素扩散，形成强冶金结合，使材料在低温下达到高强度连接的效果。
具体的过程，包括以下步骤：
(1)、将纯铁与低活性钢的金属块待连接表面打磨光滑备用；
(2)、将高活性Fe-Cu粉末末置于高能球磨机中，高能球磨的球料比为5：1～20:1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:0.5～1:3；在球磨机中以100r/min～500r/min的转速球磨4～40h，将得到粉末置于真空干燥箱中干燥，取出密封备用；
(3)、将步骤(2)中高活性Fe-Cu粉末均匀涂覆于纯铁与低活性钢中间，待连接；
(4)、在保温温度为500℃～850℃，加压范围是10MPa～150MPa，保温时间为0.5h～5h的条件下，对待连接件进行压力扩散连接。
其中，所述的高活性Fe-Cu粉末为合金粉末或元素混合粉末。
具体的，所述的高活性Fe-Cu粉末的Fe和Cu含量的质量比为7:3～3:7。
将所述的高活性Fe-Cu粉末进行高能球磨，高能球磨的球料比为5：1～20:1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:0.5～1:3；球磨时间4～40h。
优选的设计，所述的高活性Fe-Cu粉末作为中间过渡层的厚度为20～80μm。
本发明提供的纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，在较低温度下使Fe-Cu粉末与母材产生较强的互扩散，形成高强度冶金结合，实现高性能连接，其连接温度为500～850℃，对低活性钢本体的力学性能损伤较小；Fe-Cu粉末作为中间过渡层的厚度为20～80μm，其界面拉伸强度为150～300MPa。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
一、将纯铁与低活性钢的金属块待连接表面打磨光滑备用；
二、按铁铜质量比35％：65％称取铁铜粉末，置于高能球磨机中，高能球磨的球料比为5：1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:1；以200r/min的转速球磨4h，得到粉末置于真空干燥箱中干燥，取出密封备用；
三、将步骤二中含有35％Fe的铁铜粉末均匀涂覆于纯铁与低活性钢的待连接表面，待连接；
四、将待连接件置于真空中，在700℃下加压扩散连接后取出连接件。
本实施例制得的连接件，连接接头经抗拉强度测试可达155MPa，连接效果良好。
实施例2
一、将纯铁与低活性钢的金属块待连接表面打磨光滑备用；
二、按铁铜质量比70％：30％称取铁铜粉末，置于高能球磨机中，高能球磨的球料比为7：1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:3；以300r/min的转速球磨40h，得到粉末置于真空干燥箱中干燥，取出密封备用；
三、将步骤二中含有70％Fe的铁铜粉末均匀涂覆于纯铁与低活性钢的待连接表面，待连接；
四、将连接件置于氩气气氛中，在750℃下加压保温扩散连接后取出连接样。
本实施例制得的连接件，连接接头经抗拉强度测试可达200MPa，连接效果良好。
实施例3
一、将纯铁与低活性钢的金属块待连接表面打磨光滑备用；
二、按铁铜质量比50％：50％称取铁铜粉末，置于高能球磨机中，高能球磨的球料比为8：1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:2；以200r/min的转速球磨20h，得到粉末置于真空干燥箱中干燥，取出密封备用；
三、将步骤二中含有50％Fe的铁铜粉末均匀涂覆于纯铁与低活性钢的待连接表面，待连接；
四、将连接件置于真空中，在800℃下加压保温扩散连接后取出连接样。
本实施例制得的连接件，连接接头经抗拉强度测试可达255MPa，断裂于母材纯铁处，连接效果良好。

Claims (5)

1.纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，其特征在于，用高活性Fe-Cu粉末作为中间过渡层，采用真空或保护气氛结合压力的方法进行扩散连接以促进烧结过程中的中间过渡层元素扩散，形成强冶金结合，使材料在低温下达到高强度连接的效果；
包括以下步骤：
(1)、将纯铁与低活性钢的金属块待连接表面打磨光滑备用；
(2)、将高活性Fe-Cu粉末置于高能球磨机中，高能球磨的球料比为5：1～20:1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:0.5～1:3；在球磨机中以100r/min～500r/min的转速球磨4～40h，将得到粉末置于真空干燥箱中干燥，取出密封备用；
(3)、将步骤(2)中高活性Fe-Cu粉末均匀涂覆于纯铁与低活性钢中间，待连接；
(4)、在保温温度为500℃～850℃，加压范围是10MPa～150MPa，保温时间为0.5h～5h的条件下，对待连接件进行压力扩散连接。
2.根据权利要求1所述的纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，其特征在于；所述的高活性Fe-Cu粉末为合金粉末或元素混合粉末。
3.根据权利要求2所述的纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，其特征在于，所述的高活性Fe-Cu粉末的Fe和Cu含量的质量比为7:3～3:7。
4.根据权利要求2或3所述的纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，其特征在于；将所述的高活性Fe-Cu粉末进行高能球磨，高能球磨的球料比为5：1～20:1；添加无水乙醇为球磨介质，液固比为1:0.5～1:3；球磨时间4～40h。
5.根据权利要求1所述的纯铁与低活性钢的低温强化连接方法，其特征在于，所述的高活性Fe-Cu粉末作为中间过渡层的厚度为20～80μm。
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