CN106363265B - 使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法 - Google Patents

使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法 Download PDF

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Abstract

使用Ti‑Zr‑Ni‑Cu钎料钎焊SiC和Zr‑4合金的方法，它涉及钎焊SiC和Zr‑4合金的方法。它要解决现有技术无法成功连接SiC和Zr‑4合金的问题。方法：一、母材表面预处理；二、钎料制备；三、清洗；四、装配和钎焊。本发明成功连接了SiC和Zr‑4合金，接头完整致密，没有裂纹和孔洞等缺陷，对提高核反应堆的安全性具有重要意义。本发明在连接SiC和Zr‑4合金时采用了流动性好的非晶钎料，得到的接头较为致密没有缺陷，由于钎料中存在两种活性元素Ti和Zr，使钎料能够与SiC充分反应得到较高的界面结合强度。钎焊完成后可以观察到焊缝组织中存在大量Zr基固溶体，这对提高接头的耐辐照性十分有利。

Description

使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法
技术领域
本发明涉及钎焊SiC和Zr-4合金的方法。
背景技术
近年来，随着全球经济的快速发展，煤、石油、天然气等化石能源大量消耗，由此引起的能源危机已引起广泛关注。而核能作为安全、清洁、经济且可以大规模利用的能源形式，在全球范围内逐渐被认可，为解决能源问题带来了希望。在目前的水冷反应堆中，Zr合金是十分重要的堆芯结构材料，它具有热中子吸收截面小、热导率高、力学性能适中等优势，常被用作燃料棒包壳及其端塞。然而，燃料包壳需要直接与冷却水接触，Zr合金在低于400℃的水环境中具有较好的耐腐蚀性，但是在一些偶然事件下(极端失水事故)，如若包壳管得不到冷却，温度迅速升高，则Zr合金会与水蒸气发生反应，即所说的“锆水反应”，产生大量氢气，在高温下发生爆炸，酿成严重事故。
SiC陶瓷是近年来发展迅速的一种先进陶瓷材料，具有强度高，耐磨性好，热稳定性好等一系列优点。而近年来，SiC在核能领域应用潜力逐渐受到学者的注意。SiC相比Zr合金，具有更低的中子吸收截面，并且其化学惰性高，高温稳定性好，在核电站运行温度下几乎不与水发生反应，对高温高压水环境的耐腐蚀性良好。然而，SiC与核燃料的相容性是一个问题。有实验证明，SiC在经历长时间堆内辐照后，其热导率下降，这会导致一系列问题，如燃料肿胀、包壳热应力提高、包壳与燃料界面间温差变大等。
可以看出，SiC和Zr合金作为燃料棒包壳材料各具优劣；在SiC陶瓷表面制备Zr涂层，这种界面的结合力较差，并且由于SiC的脆性问题，不适合直接应用于核电领域。而采用连接技术则有望对这两种材料扬长避短，比如在Zr合金燃料包壳管外层连接一层SiC，内层让Zr合金与核燃料接触，外层让很难与水反应的SiC与冷却水接触，这样就能既发挥SiC安全性好的特点，又保持了Zr合金与核燃料之间良好的相容性。因此，成功地连接SiC与Zr合金，将对提高核反应堆的安全性具有重要意义。
发明内容
本发明目的是解决采用现有技术无法成功连接SiC和Zr-4合金的问题，而提供使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法。
使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，按以下步骤实现：
一、母材表面预处理：依次用粒度W3.0、W2.0和W0.5的金刚石研磨膏将SiC陶瓷的待焊面研磨至光亮无划痕；依次用150#、400#和800#的砂纸将Zr-4合金的待焊面打磨光亮；
二、钎料制备：按各元素质量比为Ti:Zr:Ni:Cu＝36.5:33:16.2:13.3，采用急冷技术制成Ti-Zr-Ni-Cu钎料的非晶钎料箔片，然后剪为母材待焊面的尺寸；
三、清洗：将上述母材和钎料箔片置于无水乙醇中超声清洗10～30min，取出吹干后待用；
四、装配和钎焊：按照SiC陶瓷/2-8片钎料箔片/Zr-4合金的顺序，采用有机胶组装成三明治结构，获得装配好的试样，然后置于石墨模具中，放入真空炉中进行钎焊，当真空度达到5×10-3～7×10-3Pa时，以10～20℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温25～35min，然后以5～15℃/min的加热速度将试样加热到900～990℃并保温5～30min，再以3～7℃/min的降温速率将试样温度降至300℃，最后随炉冷却至室温，即完成使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金。
本发明成功连接了SiC和Zr-4合金，接头完整致密，没有裂纹和孔洞等缺陷，对提高核反应堆的安全性具有重要意义。
本发明的优点：首先，选用的非晶钎料具有流动性好的特点，可以保证融化的钎料填满焊缝，最终得到致密无缺陷的接头；其次，该种钎料中含有Ti，Zr两种活性元素，保证了钎料与母材能够充分反应，得到的接头具有较高的界面结合强度，另外Zr元素也使钎料与母材有良好的相容性；第三，最终形成的焊缝组织中含有大量Zr基固溶体，而Zr具有很低的热中子吸收截面，有良好的耐辐照性，因此得到的焊缝组织也具有较好的耐辐照性，使接头可应用于核电领域。
附图说明
图1为实施例中Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金在930℃保温15min的接头微观组织图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，按以下步骤实现：
一、母材表面预处理：依次用粒度W3.0、W2.0和W0.5的金刚石研磨膏将SiC陶瓷的待焊面研磨至光亮无划痕；依次用150#、400#和800#的砂纸将Zr-4合金的待焊面打磨光亮；
二、钎料制备：按各元素质量比为Ti:Zr:Ni:Cu＝36.5:33:16.2:13.3，采用急冷技术制成Ti-Zr-Ni-Cu钎料的非晶钎料箔片，然后剪为母材待焊面的尺寸；
三、清洗：将上述母材和钎料箔片置于无水乙醇中超声清洗10～30min，取出吹干后待用；
四、装配和钎焊：按照SiC陶瓷/2-8片钎料箔片/Zr-4合金的顺序，采用有机胶组装成三明治结构，获得装配好的试样，然后置于石墨模具中，放入真空炉中进行钎焊，当真空度达到5×10-3～7×10-3Pa时，以10～20℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温25～35min，然后以5～15℃/min的加热速度将试样加热到900～990℃并保温5～30min，再以3～7℃/min的降温速率将试样温度降至300℃，最后随炉冷却至室温，即完成使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金。
本实施方式Ti-Zr-Ni-Cu钎料的选择：钎焊中钎料对母材的润湿性是十分重要的。本实施方式选择的Ti-Zr-Ni-Cu钎料中各元素质量比为Ti:Zr:Ni:Cu＝36.5:33:16.2:13.3，其中含有较多的Zr元素可以保证钎料与Zr合金良好的相容性，同时Ti、Zr均为活性元素，可以保证对SiC母材良好的润湿性。Ti-Zr-Ni-Cu钎料通过急冷技术制成非晶箔片，非晶钎料具有杂质少、成分均匀、流动性好、得到的接头性能好等优点。
本实施方式步骤四中以15℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温30min，目的使有机胶充分挥发，保证钎焊连接过程中无污染。
本实施方式步骤四中加热到900～990℃并保温5～30min，是根据Ti-Zr-Ni-Cu钎料的熔点(840℃)指定的。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中钎料箔片的单片厚度为30μm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤三中母材和钎料箔片置于无水乙醇中超声清洗20min。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，步骤四中有机胶为羟乙基聚合物或者502胶水。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤四中当真空度达到6×10-3Pa时，以15℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤四中以10℃/min的加热速度将试样加热到950℃并保温20min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤四中以5℃/min的降温速率将试样温度降至300℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，按以下步骤实现：
一、母材表面预处理：依次用粒度W3.0、W2.0和W0.5的金刚石研磨膏将SiC陶瓷的待焊面研磨至光亮无划痕；依次用150#、400#和800#的砂纸将Zr-4合金的待焊面打磨光亮；
二、钎料制备：按各元素质量比为Ti:Zr:Ni:Cu＝36.5:33:16.2:13.3，采用急冷技术制成Ti-Zr-Ni-Cu钎料的非晶钎料箔片，然后剪为母材待焊面的尺寸；
三、清洗：将上述母材和钎料箔片置于无水乙醇中超声清洗10～30min，取出吹干后待用；
四、按照SiC陶瓷/2-8片钎料箔片/Zr-4合金的顺序，采用有机胶组装成三明治结构，获得装配好的试样，然后置于石墨模具中，放入真空炉中进行钎焊，当真空度达到6×10-3Pa时，以15℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温30min，然后以10℃/min的加热速度将试样加热到900～990℃并保温5～30min，再以5℃/min的降温速率将试样温度降至300℃，最后随炉冷却至室温，即完成使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金。
本实施例成功连接了SiC和Zr-4合金，如表1所示，通过工艺的优化，在930℃并保温15min时，可以获得性能最佳的接头，其压缩剪切强度为95MPa；得到的接头微观形貌如图1所示，可以看到接头完整致密，没有裂纹和孔洞等缺陷。
表1不同工艺参数得到的接头压缩剪切强度

Claims (7)

1.使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于它按以下步骤实现：
一、母材表面预处理：依次用粒度W3.0、W2.0和W0.5的金刚石研磨膏将SiC陶瓷的待焊面研磨至光亮无划痕；依次用150#、400#和800#的砂纸将Zr-4合金的待焊面打磨光亮；
二、钎料制备：按各元素质量比为Ti:Zr:Ni:Cu＝36.5:33:16.2:13.3，采用急冷技术制成Ti-Zr-Ni-Cu钎料的非晶钎料箔片，然后剪为母材待焊面的尺寸；
三、清洗：将上述母材和钎料箔片置于无水乙醇中超声清洗10～30min，取出吹干后待用；
四、按照SiC陶瓷/2-8片钎料箔片/Zr-4合金的顺序，采用有机胶组装成三明治结构，获得装配好的试样，然后置于石墨模具中，放入真空炉中进行钎焊，当真空度达到5×10-3～7×10-3Pa时，以10～20℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温25～35min，然后以5～15℃/min的加热速度将试样加热到900～990℃并保温5～30min，再以3～7℃/min的降温速率将试样温度降至300℃，最后随炉冷却至室温，即完成使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金。
2.根据权利要求1所述的使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于步骤二中钎料箔片的单片厚度为30μm。
3.根据权利要求1所述的使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于步骤三中母材和钎料箔片置于无水乙醇中超声清洗20min。
4.根据权利要求1所述的使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于步骤四中有机胶为羟乙基聚合物或者502胶水。
5.根据权利要求1所述的使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于步骤四中当真空度达到6×10-3Pa时，以15℃/min的加热速率将试样加热到300℃，然后保温30min。
6.根据权利要求1所述的使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于步骤四中以10℃/min的加热速度将试样加热到950℃并保温20min。
7.根据权利要求1所述的使用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊SiC和Zr-4合金的方法，其特征在于步骤四中以5℃/min的降温速率将试样温度降至300℃。
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